IBM y tres socios de investigación, la Universidad de Chicago, Algorithmiq y Qedma, han publicado estudios separados sobre computación cuántica centrados en una barrera común para las afirmaciones de ventaja cuántica: establecer la confianza en resultados que los sistemas clásicos no pueden reproducir directamente.
El trabajo abarca circuitos lógicos codificados, simulaciones de materiales cuánticos y física de muchos cuerpos con mitigación de errores. En cada caso, se utilizaron procesadores IBM Quantum Heron para ejecutar cargas de trabajo que, según los equipos participantes, superaban las capacidades prácticas de los principales métodos de simulación clásicos. Los estudios y los resultados subyacentes se han publicado en IBM Quantum Advantage Tracker para su posterior evaluación comparativa.
La colaboración de la Universidad de Chicago demostró una alternativa estructurada al muestreo aleatorio de circuitos, un método común para evaluar la ventaja cuántica que se vuelve difícil de validar a medida que aumenta la complejidad del circuito. La técnica, que IBM denomina muestreo Clifford dopado, integra un circuito Clifford en un código espaciotemporal y luego añade estratégicamente puertas T que no son Clifford, lo que hace que el cálculo sea clásicamente difícil a la vez que se conservan las comprobaciones de síndrome necesarias para detectar errores durante la ejecución. El artículo se titula «Muestreo de circuitos difíciles con alta fidelidad verificable».
El experimento ejecutó 70 cúbits lógicos, realizando 2,415 operaciones lógicas de dos cúbits y 468 compuertas lógicas T, ambas medidas de complejidad de circuitos. IBM y la universidad informan tasas de error lógico efectivas aproximadamente diez veces menores que las tasas de error físico subyacentes, lo que permitió una alta fidelidad de circuito con esa cantidad de compuertas. La computación cuántica finalizó en aproximadamente 15 minutos, mientras que los investigadores señalaron que los principales enfoques de simulación clásica presentaban tiempos de ejecución prohibitivos. IBM lo describe como una de las mayores demostraciones de corrección de errores conocidas en el mundo, y el resultado es relevante porque combina una carga de trabajo que va más allá de lo clásico con un límite inferior estadístico en la fidelidad de ejecución.
«Nos encontramos plenamente en la era de la ventaja cuántica», afirmó Jay Gambetta, director de IBM Research y miembro distinguido de IBM. «Hemos demostrado una computación cuántica que supera el alcance práctico de las computadoras clásicas y que establece, con confianza estadística, un límite inferior sobre la fidelidad de su ejecución. Este hito proporciona a científicos, desarrolladores y empresas una nueva base para confiar en las computadoras cuánticas a medida que escalan para resolver problemas que van mucho más allá de lo que podemos lograr con la computación clásica».
El estudio de Algorithmiq utilizó un procesador IBM Quantum Heron para simular un material cuántico heterogéneo, un modelo diseñado para representar sistemas con propiedades locales irregulares, interfaces y acoplamientos microscópicos ajustables. Estos efectos son relevantes para materiales como catalizadores y electrolitos de baterías, donde el desorden local altera el movimiento de la energía, las partículas y la información. El equipo desarrolló un algoritmo cuántico para estimar el eco de Loschmidt del operador, una magnitud que indica cómo se propaga la información a través de dichos sistemas, y lo ejecutó en 56 cúbits.
La carga de trabajo se publicó por primera vez a través de Quantum Advantage Tracker hace ocho meses, e IBM y Algorithmiq afirman que ningún método clásico ha reproducido de forma fiable los resultados en todo el rango del problema desde entonces. Los métodos de al menos tres grupos líderes de simulación clásica produjeron predicciones que entraban en conflicto entre sí y con el resultado cuántico. En lugar de depender de una respuesta exacta no disponible, el equipo aplicó inyección de ruido controlada, calibraciones de puerta modificadas y modelado de ruido de dispositivos, y ejecutó el experimento en lo que IBM describe como cinco computadoras cuánticas con diferentes perfiles de ruido, probando si el resultado cuántico se mantenía estable a medida que cambiaban las condiciones de ruido.
Algorithmiq también lanzó monoprop , un paquete de pruebas basado en sus métodos clásicos de simulación del estado fundamental molecular. El software está diseñado para permitir a investigadores externos probar futuras afirmaciones sobre ventajas cuánticas frente a las técnicas clásicas disponibles.
«Esta colaboración con IBM ha materializado una idea propuesta por primera vez por Richard Feynman en 1982», declaró Matteo Rossi, cofundador y director de tecnología de Algorithmiq. «Al simular la materia cuántica mediante un procesador cuántico digital basado en la misma física, podemos ofrecer a los investigadores un modelo ajustable y físicamente interesante, abierto a cualquiera que desee intentar refutarlo mediante la física clásica. Se trata de un caso de prueba exigente, que ha superado con éxito el escrutinio público durante ocho meses y sigue vigente».
Qedma, IBM, RIKEN y BlueQubit publicaron un tercer estudio que utiliza el software QESEM (Quantum Error Suppression and Error Mitigation) de Qedma en el hardware IBM Quantum Heron para modelar la dinámica cuántica de larga duración en un sistema de Floquet-Ising bidimensional. Los físicos utilizan este sistema para estudiar cómo evolucionan las propiedades magnéticas de un material bajo una excitación externa rítmica. Qedma afirma que esta es la primera vez que se logra una ventaja cuántica utilizando hardware y software disponibles comercialmente, con el sistema Heron y QESEM disponibles en la nube. Las empresas señalan aplicaciones en optoelectrónica ultrarrápida y superconductores inducidos por luz.
IBM Quantum 133 qubit HERON
El equipo presentó simulaciones con hasta 74 cúbits. Comparó los resultados cuánticos con varios métodos clásicos, incluyendo ejecuciones en la supercomputadora Fugaku de RIKEN y simulaciones de BlueQubit. En la escala más grande probada, los enfoques clásicos no coincidieron de forma consistente, mientras que los resultados cuánticos con mitigación de errores mostraron un comportamiento oscilatorio persistente.
El proceso de validación de Qedma comparó primero un método imparcial de mitigación de errores con cálculos clásicos, demostrando la fiabilidad de estos últimos. Posteriormente, los investigadores evaluaron un método de mitigación más escalable frente a los resultados validados antes de aumentar la carga de trabajo a sistemas más grandes y tiempos de ejecución más prolongados. El estudio también evaluó el comportamiento en hardware cuántico independiente, incluidos los sistemas de iones atrapados de Quantinuum, para ayudar a distinguir la física simulada de los artefactos específicos del dispositivo.
En conjunto, los tres estudios amplían el debate sobre la ventaja cuántica más allá de las meras comparaciones de tiempo de ejecución. Se centran en la reproducibilidad, la caracterización de errores, la validación multiplataforma y la evaluación comparativa abierta, aspectos que serán necesarios antes de que los sistemas cuánticos puedan considerarse instrumentos fiables para cargas de trabajo de computación científica que superen los límites de la simulación clásica.
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