Observación experimental sin postselección de la transición de fase inducida por mediciones en circuitos con puertas universales

Observando cómo la información cuántica cambia de opinión

Los ordenadores cuánticos modernos prometen avances enormes en capacidad de cómputo, pero son extraordinariamente sensibles a las mediciones y al ruido. Este artículo explora un tipo extraño de “cambio de fase” en la forma en que la información cuántica se propaga y luego colapsa de forma repentina cuando se observa con demasiada frecuencia. Los autores no solo describen esta transición en teoría, sino que también muestran cómo observarla claramente en el hardware actual, sin el filtrado de datos heroico que ha lastrado experimentos previos.

Dos comportamientos opuestos en el mundo cuántico

Cuando muchos qubits evolucionan juntos, suelen volverse altamente entrelazados: la información sobre cualquier qubit se difumina por todo el dispositivo. Pero si se miden los qubits repetidamente mientras evolucionan, esas mediciones tienden a colapsar el estado cuántico y borrar el entrelazamiento. La teoría reciente predice una lucha entre estas dos tendencias. A bajas tasas de medición, el sistema acaba en una “fase entrelazadora”, donde la información se distribuye de forma no local. Más allá de cierto umbral, pasa a una “fase desenlazadora”, donde las mediciones dominan y el estado del sistema se vuelve casi perfectamente conocido. Este cambio brusco en el comportamiento se denomina transición de fase inducida por mediciones.

Por qué la postselección fue un obstáculo

Detectar esta transición en el laboratorio ha sido notoriamente difícil. Las firmas más directas implican cantidades no lineales como la entropía de entrelazamiento o la pureza, que dependen del estado cuántico completo, no solo de promedios sencillos de los resultados de medición. Para estimar esas propiedades, por lo general hay que "postseleccionar" ejecuciones del experimento que compartan una cadena específica de resultados de mediciones intermedias. Dado que esos resultados son aleatorios, el número de ejecuciones necesarias crece exponencialmente con el tamaño del sistema. Los experimentos han aceptado ese coste elevado, se han limitado a sistemas muy pequeños o han usado conjuntos especiales de puertas que son más fáciles de simular en un ordenador clásico.

Circuitos con forma de árbol como atajo inteligente

Los autores escapan de este cuello de botella cambiando la disposición del circuito cuántico. En lugar de organizar los qubits en una línea o una rejilla, usan una estructura arborescente: partiendo de un solo qubit “raíz” (inicialmente entrelazado con una sonda), añaden repetidamente qubits nuevos y los entrelazan en un patrón ramificado. Tras cada paso de entrelazamiento, realizan mediciones suaves, o "débilmente" perturbadoras, sobre los qubits. La intensidad de estas mediciones puede ajustarse continuamente, desde muy débiles (que apenas perturban el estado) hasta efectivamente proyectivas (fuertes, que colapsan completamente). Crucialmente, la estructura recursiva del árbol les permite procesar todos los resultados de medición registrados con un algoritmo clásico cuyo coste crece solo linealmente con el número de qubits, en lugar de exponencialmente.

Siguiendo un único qubit a través del bosque

En vez de reconstruir el estado multi-qubit completo, los autores siguen cuánta incertidumbre permanece sobre un qubit especial que comienza entrelazado con el resto. En la imagen del árbol, esto puede formularse como cuán bien se puede predecir el estado inicial del qubit raíz únicamente a partir del registro de todas las mediciones débiles dentro del circuito. Si la predicción sigue siendo imperfecta incluso para árboles muy profundos, el sistema está en la fase entrelazadora. Si, por encima de cierta intensidad de medición, el estado de la raíz puede esencialmente reconstruirse, el sistema ha entrado en la fase desenlazadora, o de “purificación”. El equipo define una cantidad numérica simple que captura esa predictibilidad y demuestra que se comporta como un parámetro de orden en transiciones de fase más familiares, pasando de no nulo a efectivamente cero en una fuerza crítica de medición.

De la teoría a un dispositivo cuántico real

Los investigadores implementan su protocolo de circuito en árbol en el ordenador cuántico de iones atrapados H1-1 de Quantinuum, usando hasta cuatro capas del árbol. Eligen puertas de un solo qubit genéricas y extraídas al azar, de modo que la dinámica no esté artificialmente simplificada, y mediciones débiles implementadas con las interacciones nativas de la máquina. Con un número moderado de circuitos aleatorios y repeticiones, estiman el parámetro de orden para distintas profundidades del árbol y fuerzas de medición. Sus datos siguen de cerca las predicciones teóricas detalladas y las simulaciones clásicas a gran escala, todo sin ninguna mitigación de errores, demostrando que la transición puede resolverse claramente en dispositivos ruidosos de la actualidad.

Qué significa esto para las tecnologías cuánticas futuras

Para un público no especializado, el mensaje clave es que existen dos regímenes distintos del comportamiento de la información en sistemas cuánticos monitorizados: uno en el que la información permanece extendida y difícil de acceder, y otro en el que la medición continua la hace nítida y local. Este trabajo muestra que la frontera entre esos regímenes —la transición de fase inducida por mediciones— puede observarse experimentalmente sin filtrado excesivo de datos ni conjuntos de puertas restringidos, siempre que se use una arquitectura de circuito tipo árbol y la estrategia de decodificación adecuada. Eso convierte a los modelos basados en árboles en bancos de prueba potentes para entender cómo la medición, el ruido y el flujo de información influirán en el rendimiento y el diseño de las tecnologías cuánticas del mañana.

Cita: Feng, X., Côté, J., Kourtis, S. et al. Postselection-free experimental observation of the measurement-induced phase transition in circuits with universal gates. Commun Phys 9, 110 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-025-02443-0

Palabras clave: transición de fase inducida por mediciones, circuitos cuánticos, entrelazamiento, ordenador cuántico con iones atrapados, corrección de errores cuánticos