La computación cuántica lleva décadas prometiendo máquinas capaces de resolver determinados problemas que resultan extraordinariamente difíciles para los ordenadores convencionales. Sin embargo, existe un obstáculo que sigue separando esa promesa de la realidad: los cúbits, las unidades fundamentales de información cuántica, son extremadamente sensibles al ruido y a las perturbaciones de su entorno.
Cuanto más complejo se vuelve un cálculo, más oportunidades aparecen para que los errores arruinen los resultados.
Ahora, un equipo de investigadores de IBM y varias universidades estadounidenses ha conseguido algo especialmente interesante. Ha utilizado un procesador cuántico de hasta 100 cúbits para ejecutar miles de operaciones y demostrar que las mediciones, normalmente asociadas con la alteración de los estados cuánticos, también pueden servir para controlar su comportamiento. Y lo más sorprendente es que los científicos han encontrado una frontera perfectamente reconocible entre dos formas radicalmente diferentes de funcionamiento.
Cinco mil operaciones y una transición entre el caos y el orden
El estudio, publicado en Nature Physics, describe un experimento realizado con un procesador superconductivo IBM Quantum Heron de 156 cúbits, aunque las pruebas utilizaron sistemas de hasta 100.
Los investigadores implementaron circuitos cuánticos adaptativos que alternaban dos tipos de procesos. Por una parte, operaciones capaces de entrelazar y redistribuir información entre cúbits. Por otra, mediciones intermedias y reinicios condicionados por sus resultados, utilizados para dirigir la evolución del sistema.
En las configuraciones más exigentes, el procesador ejecutó cerca de 5.000 puertas de entrelazamiento y otras 5.000 operaciones intermedias de medición y reinicio. Pero el resultado verdaderamente importante no fue alcanzar esa cifra.
Los científicos comprobaron que la competencia entre ambos procesos generaba una transición de fase dinámica. Cuando predominaban las operaciones que mezclaban la información, el comportamiento era caótico. Cuando aumentaba la intervención mediante mediciones y retroalimentación, el sistema podía aproximarse a un estado controlado.
La comparación es parecida a lo que sucede cuando el agua pasa de líquida a sólida: pequeñas variaciones alrededor de un punto crítico producen un cambio cualitativo en su comportamiento.
En este caso, los investigadores observaron una transición entre dinámicas cuánticas y clásicas controladas experimentalmente. No significa que los 100 cúbits conservaran intacta toda su coherencia durante las 10.000 operaciones. El experimento demuestra algo más específico: que es posible estudiar y controlar dinámicas cuánticas complejas mediante mediciones y retroalimentación, incluso en presencia de ruido.
Lo que parecía destruir el cálculo podría ayudar a controlarlo
En computación cuántica, la medición tiene un papel especialmente delicado. A diferencia de los bits convencionales, los cúbits pueden encontrarse en superposiciones de estados y establecer correlaciones cuánticas entre sí.
Medirlos altera esas propiedades. Por eso, durante mucho tiempo, uno de los grandes desafíos fue desarrollar métodos capaces de obtener información útil sin destruir las ventajas del procesamiento cuántico.
El nuevo experimento explora una posibilidad distinta: utilizar esas mediciones como parte del propio mecanismo de control. Para ello, el equipo implementó una versión cuántica del llamado mapa de Bernoulli, un modelo matemático relacionado con los sistemas caóticos. Las operaciones de entrelazamiento dispersaban la información, mientras los reinicios condicionados intentaban devolver el sistema hacia un estado determinado.
Según IBM Research, esta competición permitió reproducir tanto la transición del caos al control como una transición entre comportamientos cuánticos y clásicos.
Los experimentos con diferentes cantidades de cúbits también permitieron analizar cómo cambiaba la transición conforme aumentaba el tamaño del sistema. Estos resultados son relevantes para investigar circuitos adaptativos y estrategias de protección de información. Sin embargo, no equivalen a demostrar un sistema completo de corrección de errores cuánticos ni prueban que añadir cúbits reduzca automáticamente los errores.
El próximo desafío ya no es hacer más operaciones, sino conseguir que sean fiables
La corrección de errores es uno de los requisitos esenciales para construir ordenadores cuánticos capaces de ejecutar algoritmos útiles a gran escala. Actualmente, los sistemas más avanzados necesitan combinar numerosos cúbits físicos para proteger la información de un número mucho menor de cúbits lógicos.
La dificultad consiste en detectar errores, procesar esa información y aplicar las correcciones adecuadas sin introducir demasiados fallos adicionales. El experimento de IBM no resuelve todavía ese problema, pero aporta conocimientos sobre cómo pueden comportarse los sistemas cuánticos cuando se combinan operaciones, mediciones y control en tiempo real. Además, al trabajar con hasta 100 cúbits y miles de operaciones, los investigadores alcanzaron un régimen experimental difícil de reproducir mediante simulaciones clásicas generales.
Esto convierte al propio procesador en una herramienta científica para explorar fenómenos físicos complejos, incluso antes de que exista un ordenador cuántico universal plenamente tolerante a fallos.
La computación cuántica todavía tiene un largo camino por delante, pero este resultado introduce una idea importante: medir un sistema cuántico no tiene por qué ser solamente una fuente de perturbaciones. Bajo determinadas condiciones, también puede ser una forma de imponer orden sobre el caos.
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