Evaluación comparativa de interacciones de intercambio diseñadas en hardware NISQ

Por qué este estudio importa para los ordenadores del futuro

Los ordenadores cuánticos prometen abordar problemas en química, finanzas y seguridad que superan a las máquinas actuales, pero solo si sus bloques básicos funcionan con fiabilidad. Este artículo examina qué tan bien se puede ejecutar un tipo especial de operación cuántica, llamada interacción de intercambio, en el hardware cuántico ruidoso disponible, ofreciendo una instantánea realista de la situación tecnológica y de cómo emplearla de forma sensata.

Intercambiar información entre diminutos bits cuánticos

En muchos algoritmos cuánticos, dos bits cuánticos necesitan compartir e intercambiar su información de forma controlada. El estudio se centra en dos operaciones relacionadas, conocidas como iSWAP y raíz cuadrada de iSWAP, que reordenan las excitaciones entre un par de qubits y a la vez crean entrelazamiento, el vínculo exclusivamente cuántico que sustenta la mayoría de las aceleraciones cuánticas. Estas operaciones son especialmente útiles para simular materiales magnéticos y para enrutar información eficientemente en un chip donde no todos los qubits están conectados directamente.

Ajustando la teoría a los dispositivos reales

En el procesador superconductivo usado aquí, construido sobre la arquitectura Falcon de IBM, iSWAP y su variante no son movimientos nativos. En su lugar, deben construirse a partir de una pequeña caja de herramientas de acciones más simples, principalmente CNOT, RZ y SX. El autor diseñó versiones conscientes del hardware de las dos operaciones de intercambio que usan solo dos puertas CNOT cada una, intercaladas con rotaciones de un solo qubit, para mantener el circuito global corto. Los circuitos más cortos importan porque los dispositivos actuales pierden rápidamente la información cuántica y acumulan errores a medida que se añaden más pasos.

Poniendo a prueba las puertas

Para ver qué tan bien funcionan estas puertas diseñadas, el estudio usa dos verificaciones complementarias. Las medidas directas del estado parten de un estado de entrada simple y cuentan con qué frecuencia el dispositivo devuelve el resultado esperado frente a resultados no deseados. La tomografía de procesos cuánticos llega mucho más lejos: reconstruye una imagen completa de cómo el dispositivo transforma cualquier entrada posible, produciendo una “huella” de la operación y una única puntuación de precisión llamada fidelidad de proceso. En un simulador perfecto, ambas puertas de intercambio muestran fidelidades muy altas alrededor del 97 al 98 por ciento, limitadas solo por el ruido estadístico debido a un número finito de tiros de medida.

Qué ocurre en hardware real y ruidoso

Cuando las mismas pruebas se ejecutan en el chip cuántico físico, las puertas de intercambio muestran una caída clara en el rendimiento. La implementación de iSWAP alcanza una fidelidad de proceso de aproximadamente el 89,7 por ciento y la versión raíz alrededor del 87,7 por ciento, una pérdida de aproximadamente 9 a 10 puntos porcentuales respecto al simulador. Las medidas directas del estado revelan que, partiendo del simple estado de dos qubits “ambos apagados”, la puerta iSWAP preserva ese estado con un poco más de frecuencia que su compañera, pero también produce más del resultado erróneo “ambos encendidos”. Al comparar estos comportamientos con una puerta CNOT estándar y con métricas detalladas del dispositivo como la relajación de energía, la descoherencia y los errores de lectura, el estudio vincula las diferencias de rendimiento a limitaciones específicas del hardware y a variaciones entre qubits.

Qué nos dice esto sobre el camino por delante

Para los no especialistas, el mensaje clave es que se pueden construir puertas cuánticas útiles a partir de herramientas de hardware limitadas, pero su fiabilidad sigue estando fuertemente condicionada por el ruido en los dispositivos actuales. Las interacciones de intercambio diseñadas estudiadas aquí rinden de forma competitiva con operaciones nativas a la vez que ponen de manifiesto dónde aparecen los errores y cómo distintos diseños intercambian un tipo de fallo por otro. Estos puntos de referencia ofrecen a los diseñadores de algoritmos datos prácticos para elegir entre opciones de puertas, inspiran estrategias para reducir los canales de error dominantes y guían mejoras futuras en el diseño de chips a medida que el campo avanza hacia ordenadores cuánticos más fiables y tolerantes a fallos.

Cita: AbuGhanem, M. Benchmarking engineered exchange interactions on NISQ hardware. Sci Rep 16, 16132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53082-6

Palabras clave: puertas cuánticas, qubits superconductores, entrelazamiento, hardware NISQ, evaluación cuántica