La computación cuántica enfrenta un paradoja fundamental: si una computadora cuántica eventualmente resuelve problemas demasiado complejos para cualquier máquina clásica, ¿cómo sabrá alguien si su respuesta es correcta? El desafío va más allá de verificar el resultado final. Los investigadores también necesitan saber si el hardware cuántico en sí está haciendo lo que afirma hacer.

"Las computadoras cuánticas presentan un desafío fundamentalmente diferente. Dado que se espera que resuelvan problemas que están fuera del alcance de las computadoras clásicas, puede no haber un método clásico eficiente para evaluarlas", explicó Shubhayan Sarkar, investigador postdoctoral de la Universidad de Gdansk, según reportó Phys.org.

El trabajo de Sarkar propone una solución innovadora que aborda uno de los problemas más importantes sin resolver en el campo: verificar las puertas cuánticas, los bloques de construcción más fundamentales de un procesador cuántico, sin depender del conocimiento detallado del diseño interno de la máquina.

La solución se basa en investigaciones anteriores que demostraron que los estados cuánticos y las mediciones pueden auto-verificarse utilizando un fenómeno conocido como no-localidad cuántica. Esta propiedad, cuya verificación experimental ayudó a ganar el Premio Nobel de Física 2022, permite que sistemas cuánticos distantes produzcan correlaciones que no pueden explicarse únicamente por la física clásica.

Analizando estas correlaciones, los investigadores pueden certificar que un sistema es genuinamente cuántico sin abrirlo e inspeccionar su hardware. En trabajos anteriores, Sarkar y sus colegas desarrollaron un método capaz de auto-verificar estados cuánticos y mediciones arbitrarias. El nuevo estudio extiende esa idea a operaciones cuánticas, específicamente a puertas unitarias.

Una puerta unitaria es una operación matemática que manipula información cuántica mientras la preserva, lo que la convierte en la representación ideal de una puerta lógica cuántica. "Dado que cualquier computadora cuántica se basará en chips cuánticos que son básicamente puertas unitarias, la auto-verificación de puertas unitarias es certificar los 'ladrillos' de una computadora cuántica", explicó Sarkar. En resumen, verificarlas es esencial para demostrar que un procesador cuántico funciona correctamente.

Para lograr esto, Sarkar diseñó un esquema de certificación basado en redes. Imagine un servidor central conectado a varios nodos externos en una disposición en forma de estrella. Entre el servidor y cada nodo externo hay una puerta cuántica que puede encenderse o apagarse.

Cuando la puerta está apagada, los investigadores primero certifican los nodos externos y sus conexiones cuánticas utilizando desigualdades de Bell especialmente diseñadas, pruebas matemáticas que revelan si el comportamiento observado solo puede explicarse por la mecánica cuántica. Una vez que estos componentes circundantes se verifican, la puerta se vuelve a encender. Como el resto de la red ya ha sido certificada, los investigadores pueden usar los patrones estadísticos resultantes para determinar si la puerta en sí está funcionando correctamente.

Lo más importante es que todos los datos se recopilan dentro de un único experimento y luego se analizan juntos para certificar cada componente.

El estudio presenta dos versiones del protocolo. La versión más simple, llamada esquema "Casi Independiente del Dispositivo", puede en principio auto-verificar cualquier puerta unitaria cuántica siempre que la puerta no mueva estados cuánticos fuera de su subespacio matemático original. Esto la hace significativamente más fácil de implementar mientras evita suposiciones detalladas sobre el hardware interno del procesador.

Los investigadores también desarrollaron una versión completamente independiente del dispositivo del protocolo. Este enfoque es más riguroso pero también más exigente, ya que requiere enlaces adicionales de teletransportación cuántica dentro de la red. Estos enlaces deben certificarse a sí mismos utilizando pruebas de Bell adicionales antes de que pueda proceder el proceso de verificación de la puerta.

Lo que hace que el trabajo sea particularmente importante es el resultado teórico que respalda ambos esquemas. Sarkar demostró que cada operación cuántica está asociada con un conjunto único de correlaciones observables. En términos simples, cada puerta cuántica deja una huella digital estadística distintiva. Al examinar las correlaciones producidas durante un experimento, los científicos pueden determinar si una puerta específica, y ninguna otra, generó el comportamiento observado, aparte de un pequeño número de ambigüedades inevitables que no pueden eliminarse experimentalmente.

Esta capacidad podría ser especialmente valiosa para países en desarrollo y organizaciones que carecen de los recursos o la infraestructura para fabricar procesadores cuánticos avanzados internamente. A medida que las tecnologías cuánticas se vuelven más ampliamente disponibles, muchos pueden necesitar importar chips cuánticos de proveedores extranjeros e integrarlos en sus propias plataformas informáticas. En lugar de depender únicamente de las afirmaciones de los fabricantes, podrían usar métodos de certificación como este para verificar independientemente que el hardware importado funciona exactamente como se pretende.

El trabajo sigue siendo una prueba de concepto en lugar de una tecnología lista para su implementación. Aunque pequeñas redes cuánticas en forma de estrella ya han sido demostradas experimentalmente, el protocolo de certificación completo descrito en el estudio aún no ha sido probado en procesadores cuánticos reales.

El método también se basa en múltiples pruebas de Bell y suposiciones sobre fuentes cuánticas independientes, lo que podría hacer que la implementación a gran escala sea desafiante. Sin embargo, las implicaciones son significativas.

A medida que gobiernos y empresas tecnológicas invierten miles de millones de dólares en computación cuántica, las preocupaciones sobre verificación, transparencia y confiabilidad se vuelven cada vez más importantes. El debate reciente sobre las afirmaciones de Microsoft sobre su tecnología cuántica basada en Majorana destacó lo difícil que puede ser para terceros evaluar independientemente el desempeño del hardware cuántico emergente. Un marco de certificación robusto podría proporcionar una forma objetiva de evaluar tales afirmaciones.

El próximo objetivo de Sarkar es hacer que el protocolo sea más práctico reduciendo el número de pruebas de Bell requeridas y asegurando que siga siendo confiable incluso cuando hay ruido e imperfecciones del mundo real. También espera adaptar el enfoque para plataformas de computación cuántica públicamente accesibles como las ofrecidas por IBM Quantum. Si tiene éxito, los usuarios podrían algún día verificar las operaciones realizadas por una computadora cuántica sin tener que confiar en la empresa que la ejecuta.

"Esto no solo evaluaría la computación cuántica de estas empresas sino que también aumentaría la confianza del público general en la computación cuántica", concluyó Sarkar. El estudio fue publicado en la revista Physical Review Letters.