La computación cuántica promete resolver problemas que actualmente son imposibles para nuestras supercomputadoras más potentes, pero construir el software para ejecutar estas máquinas es una tarea frágil y confusa. A diferencia de las computadoras clásicas, que procesan la información como simples interruptores de encendido o apagado, las máquinas cuánticas utilizan "qubits" que pueden existir en múltiples estados a la vez. Para hacerlas funcionar, los programadores deben construir secuencias intrincadas de operaciones, a menudo escribiendo código que habla directamente con la física de la máquina. Esto requiere una combinación de habilidades poco común: un profundo entendimiento de la mecánica cuántica, la capacidad de escribir código complejo y la familiaridad con un panorama de diferentes herramientas de software que cambia rápidamente. Cada una de las grandes empresas tecnológicas y grupos de investigación ha construido su propia forma de hablar con el hardware cuántico, utilizando diferentes lenguajes y reglas. Esta fragmentación hace que sea difícil saber si un resultado es correcto, porque un error podría estar en el código, en la herramienta utilizada para escribirlo o en la propia máquina.

Un equipo de investigadores de Brasil ha desarrollado una nueva forma de navegar esta complejidad, tratando el software cuántico como un flujo de agua a través de una serie de tuberías en lugar de un muro de texto para ser escrito. Crearon un sistema llamado Quanifi, que permite a los usuarios construir programas cuánticos arrastrando y soltando bloques prefabricados en una pantalla visual, de forma muy similar a cómo se ensambla una placa de circuito sin tener que soldar nunca un cable. La brillantez de su enfoque reside en cómo prueban estos programas. En lugar de ejecutar una única versión de un cálculo en una sola máquina, su sistema ejecuta el mismo problema simultáneamente a través de tres herramientas de software diferentes y en tres computadoras cuánticas distintas. Esto crea una cuadrícula de resultados donde cada combinación posible se prueba a la vez. Si las respuestas no coinciden, el sistema puede señalar exactamente dónde ocurrió el error: ¿fue la herramienta de software, la computadora de hardware o la combinación específica de ambos?

Los investigadores utilizaron este método para ejecutar un algoritmo de búsqueda clásico, conocido como el algoritmo de Grover, que está diseñado para encontrar un elemento específico en una lista grande. Construyeron la misma rutina de búsqueda utilizando tres marcos de software diferentes—Qiskit, Cirq y PennyLane—y los enviaron a tres computadoras cuánticas ubicadas en diferentes partes del mundo: una de IBM, una de IQM y una de Quantum Inspire. Al comparar los resultados de estos nueve caminos diferentes, pudieron detectar inconsistencias que habrían sido invisibles si solo hubieran observado un único resultado. Este proceso, al que llaman ejecución N×M, actúa como una poderosa red de seguridad, revelando fallos ocultos en todo el ecosistema de la computación cuántica.

La investigación descubrió tres defectos reales en las herramientas y máquinas utilizadas por la industria. El primer problema se encontró en una máquina de Quantum Inspire. Cuando los investigadores utilizaron el marco de software Cirq, la máquina devolvía consistentemente la respuesta incorrecta, invirtiendo los bits del resultado. Sin embargo, el mismo software funcionó perfectamente en las otras dos computadoras, y los otros marcos de software funcionaron bien en esa máquina específica. Este fallo particular apuntaba a un problema en cómo el adaptador de la máquina traducía las instrucciones de Cirq. Resultó que el adaptador estaba utilizando un tipo específico de puerta de rotación con la dirección incorrecta, efectivamente haciendo girar los qubits en la dirección opuesta a la debida. Los investigadores confirmaron esto mediante la simulación del error y lo informaron al proveedor.

Un segundo defecto involucró a la misma máquina de Quantum Inspire. El adaptador de software afirmaba que la máquina podía realizar ciertas operaciones complejas que en realidad no podía. Cuando los investigadores intentaron usar estas operaciones no soportadas, la máquina falló silenciosamente, produciendo respuestas incorrectas sin levantar alarmas. Esto resaltó una brecha entre lo que el software decía que la máquina podía hacer y lo que realmente podía hacer. El tercer descubrimiento, y quizás el más significativo, involucró a un servicio en la nube llamado Open Quantum, que actúa como un intermediario que permite a los usuarios acceder a diferentes computadoras cuánticas a través de una interfaz única. Los investigadores enviaron los mismos archivos de circuito exactos a una máquina, tanto a través de la conexión directa como a través de este servicio en la nube. Mientras que la conexión directa funcionó, el servicio en la nube devolvió resultados incorrectos para ciertos tipos de circuitos. El error fue sutil: el servicio estaba eliminando silenciosamente pasos de rotación específicos de las instrucciones, cambiando el cálculo sin avisar al usuario. El proveedor confirmó este error de procesamiento y lo corrigió poco después del informe.

El valor de este trabajo no reside solo en encontrar estos errores, sino en el método utilizado para encontrarlos. Al ejecutar todas las combinaciones de software y hardware al mismo tiempo, los investigadores crearon un mapa de fiabilidad que mostró exactamente dónde se rompe el sistema. Encontraron que algunas herramientas funcionan bien en algunas máquinas pero fallan en otras, y que algunos servicios en la nube introducen errores que son imposibles de detectar si solo se observa el resultado final. Este enfoque no requiere que el usuario sea un experto en física cuántica o que escriba código complejo; simplemente requiere ensamblar los bloques y dejar que el sistema compare los resultados. Los investigadores señalaron que, aunque las versiones de cuatro qubits de su prueba fueron demasiado ruidosas en algunas máquinas para extraer conclusiones firmes, las pruebas de dos qubits fueron claras y decisivas.

Este estudio demuestra que el camino hacia una computación cuántica fiable requiere más que solo un mejor hardware; requiere una forma de verificar que el software y el hardware están trabajando juntos correctamente. Los investigadores demostraron que, al tratar los diferentes marcos de software y las diferentes máquinas como versiones independientes de la misma prueba, pudieron aislar fallos que de otro modo permanecerían ocultos. Informaron de los tres defectos que encontraron, y el proveedor del servicio en la nube ya ha confirmado y corregido su error. Los otros dos problemas relativos al adaptador de Quantum Inspire siguen bajo revisión. El trabajo sugiere que, a medida que la computación cuántica pase del laboratorio al mundo real, este tipo de verificación cruzada será esencial para asegurar que las respuestas que obtenemos sean realmente correctas.