Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware

La naturaleza está llena de sistemas que parecen salirse de control. Los patrones meteorológicos se transforman en tormentas, los atascos de tráfico se forman por el más mínimo retraso y las poblaciones de depredadores y presas aumentan y disminuyen en ciclos impredecibles. Sin embargo, dentro de este aparente desorden, el orden suele emerger. Las corrientes en chorro se organizan a partir de la turbulencia y la actividad neuronal se sincroniza en los ritmos constantes del cerebro. Los científicos saben desde hace tiempo que, observando de cerca estos sistemas caóticos y realizando ajustes diminutos y oportunos, pueden guiarlos de vuelta a un estado estable. Este principio de control del caos ha ayudado a estabilizar láseres e incluso a guiar naves espaciales a través de regiones gravitatorias inestables. Ahora, los investigadores se preguntan si esta misma idea puede funcionar en el extraño y frágil mundo de la mecánica cuántica, donde las partículas existen en múltiples estados a la vez y son fácilmente perturbadas por su entorno.

El desafío en el reino cuántico es inmenso. Los sistemas cuánticos son increíblemente sensibles; el más mínimo ruido o error puede destruir la delicada información que contienen. Los métodos tradicionales para controlar los sistemas cuánticos suelen fallar porque el acto mismo de medirlos cambia su comportamiento. Sin embargo, ha surgido un nuevo enfoque que utiliza una combinación de operaciones cuánticas aleatorias y un monitoreo constante. Al medir partes de un sistema cuántico y luego utilizar esa información para restablecer o corregir otras partes en tiempo real, los científicos pueden crear un bucle de retroalimentación. Este proceso, conocido como circuito adaptativo, permite a los investigadores dirigir un sistema cuántico lejos del caos y hacia un estado específico y estable, domesticando efectivamente la tormenta cuántica.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores liderado por científicos de IBM y la Universidad de Rutgers puso a prueba este concepto a gran escala. Construyeron un circuito cuántico en un procesador superconductor que imita un famoso modelo matemático conocido como el mapa de Bernoulli. En su forma clásica, este mapa toma un número, lo duplica y conserva solo la parte fraccionaria, un proceso que rápidamente desordena cualquier valor inicial hacia el caos. Los investigadores crearon una versión cuántica de este mapa, donde el "desorden" es realizado por puertas cuánticas aleatorias que mezclan la información de los cúbits entre sí. Para contrarrestar este caos, introdujeron un mecanismo de control: a intervalos aleatorios, medían un cúbit específico y, basándose en el resultado, lo restablecían a un estado inicial conocido. Esto creó una competencia entre las fuerzas de desorden que intentaban propagar la información por todas partes y las fuerzas de control que intentaban fijar el sistema a un único estado ordenado.

El experimento se llevó a cabo en un procesador cuántico de IBM utilizando hasta cien cúbits, un paso significativo por encima de los intentos anteriores que se limitaban a unas pocas docenas. Los investigadores ejecutaron el circuito durante miles de pasos, permitiendo que el sistema evolucionara hasta alcanzar un estado estacionario. Luego observaron cómo se comportaba el sistema a medida que ajustaban la frecuencia de las mediciones de control. Cuando el control era débil, el sistema permanecía caótico, con la información extendida a través de todos los cúbits en una red compleja y entrelazada. A medida que aumentaban la frecuencia de las mediciones y los restablecimientos, el sistema cambiaba repentinamente. Pasaba de este estado cuántico caótico a un estado ordenado y controlado donde los cúbits se asentaban en un patrón predecible. Este cambio, conocido como transición de fase, ocurrió en un punto de inflexión preciso donde las fuerzas de control finalmente superaron al caos.

Lo que hizo que este descubrimiento fuera particularmente significativo fue la capacidad de observar la transición no solo en el comportamiento promedio del sistema, sino también en las fluctuaciones de las trayectorias cuánticas individuales. En un sistema clásico, si realizas el mismo experimento dos veces, obtienes el mismo resultado. En un sistema cuántico, incluso con la misma configuración exacta, la naturaleza aleatoria de la medición significa que cada ejecución produce un resultado ligeramente diferente. Los investigadores midieron estas diferencias, conocidas como fluctuaciones cuánticas, y descubrieron que se comportaban de una manera muy específica en el punto de inflexión. Estas fluctuaciones crecían y disminuían de acuerdo con leyes universales que coincidían con las predicciones teóricas con alta precisión. Esto confirmó que el sistema se estaba comportando verdaderamente como un objeto cuántico, siguiendo las complejas reglas de la mecánica cuántica, en lugar de actuar simplemente como una computadora clásica ruidosa.

Para asegurar que sus resultados fueran genuinos, el equipo comparó sus datos experimentales con dos tipos diferentes de simulaciones computacionales. Una simulación modelaba el sistema como una computadora cuántica perfecta, mientras que la otra modelaba el sistema como una computadora clásica despojada de toda coherencia cuántica, convirtiéndola esencialmente en un proceso ruidoso y aleatorio. Los datos experimentales coincidieron mucho más estrechamente con la simulación cuántica perfecta que con la clásica. Esto proporcionó una fuerte evidencia de que el procesador cuántico estaba realizando con éxito el complejo control adaptativo, manteniendo su naturaleza cuántica incluso mientras era constantemente medido y restablecido. El estudio también reveló que la transición del caos al orden no fue solo un cambio en el estado del sistema, sino un cambio fundamental del comportamiento cuántico a un comportamiento efectivamente clásico, donde el sistema se volvió tan ordenado que ya no exhibía el entrelazamiento complejo típico de la mecánica cuántica.

Este trabajo representa un hito importante en el desarrollo de la tecnología cuántica. Al coordinar con éxito miles de operaciones cuánticas, incluyendo mediciones y restablecimientos, en un gran número de cúbits, los investigadores demostraron un nivel de control que es esencial para la construcción de futuras computadoras cuánticas tolerantes a fallos. Estas máquinas necesitarán monitorear y corregir constantemente sus propios errores para funcionar, y este experimento muestra que tal control adaptativo es posible incluso en presencia de ruido. La capacidad de observar y comprender estas transiciones en hardware cuántico real acerca a los científicos un paso más hacia el aprovechamiento de todo el poder de la mecánica cuántica para resolver problemas que son actualmente imposibles de abordar para las computadoras clásicas. El estudio demuestra que, con las herramientas adecuadas, incluso los sistemas cuánticos más caóticos pueden ser guiados hacia un estado de orden, abriendo la puerta a una nueva era de control cuántico.