IBM ha lanzado una nueva extensión del ecosistema Qiskit llamada Qiskit Paulice, con el objetivo de mejorar la fiabilidad de los circuitos cuánticos mediante la detección de errores durante la ejecución del circuito y el filtrado de los resultados que probablemente se hayan visto afectados por ellos. La herramienta se basa en comprobaciones cuánticas conocidas como «comprobaciones de Pauli espaciotemporales» (spacetime Pauli checks), que se insertan directamente en el circuito con un incremento limitado de los requisitos de hardware y ejecución.
La extensión forma parte de los esfuerzos por desarrollar métodos para gestionar los errores en los ordenadores cuánticos actuales, en un momento en que la computación cuántica plenamente tolerante a fallos todavía requiere hardware complejo y un gran número de cúbits. IBM afirma que las técnicas de gestión de errores desarrolladas actualmente ayudarán a alcanzar una computación cuántica de gran escala y tolerante a fallos, en la que los errores se corrijan durante el cálculo, con el objetivo de lograrlo para 2029.
¿Cómo funciona Paulice?
Los métodos de gestión de errores cuánticos suelen clasificarse en tres grupos: supresión de errores, mitigación de errores y corrección de errores. La detección de errores no constituye una categoría independiente, sino que representa un componente fundamental de la corrección de errores y de algunos métodos de mitigación, ya que comprueba si una ejecución concreta del circuito se ha visto afectada por un error.
En los métodos tradicionales, se utilizan cúbits de datos para realizar el cálculo, junto con cúbits auxiliares conocidos como ancilla, que supervisan los demás cúbits y capturan indicios de errores. Sin embargo, la introducción de estos cúbits y de las operaciones asociadas puede aumentar la profundidad del circuito hasta el punto de que las operaciones adicionales provoquen más errores de los que detectan. Paulice se ha diseñado para abordar este problema colocando comprobaciones seleccionadas dentro del propio circuito.
Cada comprobación de Pauli expresa una restricción que se supone que debe mantenerse durante la ejecución del circuito. Cuando un error provoca el incumplimiento de esta restricción, se manifiesta en un «síndrome» de medición, una secuencia de bits que indica que se ha detectado un error. Si el síndrome está compuesto por ceros, no se ha detectado ningún error, mientras que cualquier valor 1 indica la presencia de un error según la comprobación utilizada.
Comprobaciones que tienen en cuenta el espacio y el tiempo
Las comprobaciones espaciotemporales se diferencian de las comprobaciones tradicionales en que no definen las restricciones únicamente mediante los cúbits situados en el espacio del hardware, sino que también las colocan en momentos concretos dentro de la ejecución del circuito. Esto permite detectar errores en regiones amplias del cálculo, evitando parte del coste asociado a la medición de operadores de alto peso, que puede aumentar la profundidad del circuito, especialmente en dispositivos con conectividad limitada entre cúbits.
No todas las comprobaciones son igual de útiles, ya que cada comprobación añade operaciones que pueden generar ruido adicional. Por ello, el paquete qiskit-paulice utiliza un modelo de ruido y las restricciones de conectividad del dispositivo para seleccionar comprobaciones válidas, de bajo peso y eficaces para detectar errores. Según IBM, este proceso automatizado ayuda a aumentar la capacidad de detección al tiempo que limita el coste en cúbits y la profundidad del circuito.
¿Qué permite el uso práctico?
Después de ejecutar el circuito, la información del síndrome puede utilizarse de distintas maneras. La más sencilla consiste en conservar las ejecuciones en las que no se haya detectado ningún error y descartar aquellas en las que hayan aparecido indicios de error; este proceso convierte Paulice en una forma de corrección de errores mediante selección posterior (postselected error correction). La información del síndrome también puede combinarse con otros métodos para mitigar o corregir errores.
La herramienta es compatible especialmente con circuitos de Clifford y con circuitos dominados por este tipo, como los construidos con puertas Hadamard, Phase y CNOT. Estos circuitos se caracterizan por que su comportamiento se comprende matemáticamente y puede simularse de forma eficiente en ordenadores clásicos, lo que los hace adecuados para desarrollar y probar métodos de gestión de errores.
La extensión incluye un itinerario educativo para construir un circuito de Clifford de 12 cúbits y cuatro capas de puertas de entrelazamiento; después, permite determinar los cúbits de datos y los cúbits auxiliares según la conectividad del dispositivo, y crear un modelo de ruido a partir de los datos de la plataforma. En el ejemplo incluido en el material, la herramienta añadió siete comprobaciones al circuito. El tutorial posterior explica cómo ejecutar el circuito comprobado, realizar el muestreo, examinar los síndromes, seleccionar las muestras sin errores y comparar la precisión de los resultados antes y después de la detección de errores.
Disponibilidad y desarrollo futuro
La documentación y los tutoriales de Qiskit Paulice están disponibles, junto con un repositorio de GitHub para descargar la extensión de código abierto. IBM señala que el equipo planea añadir compatibilidad con sistemas no pertenecientes a Clifford, analizar los canales de ruido después de la selección posterior y mejorar la gestión del ruido de inactividad durante la selección de las comprobaciones. El artículo también indica que los conceptos de las comprobaciones espaciotemporales se utilizaron en un experimento de IBM y la Universidad de Chicago relacionado con el muestreo de estados de grafos aleatorios a gran escala.