Los simuladores cuánticos prometen resolver problemas de química cuántica y física de la materia condensada, pero chocan con el corto tiempo de coherencia de los cúbits y los errores de las largas cadenas de puertas. La troterización estándar requiere una profundidad de circuito que crece cuadráticamente con el tiempo de evolución, lo que rápidamente vuelve los cálculos inviables. Este trabajo se inscribe en los esfuerzos por superar estas limitaciones; en el archivo cercano hay investigaciones sobre corrección de errores cuánticos, memoria cuántica y reducción de ruido. El artículo propone una vía híbrida: comprimir la evolución en circuitos variacionales pequeños manteniendo la precisión.
En el procesador superconductor L9 de 9 cúbits con acoplamientos ajustables se utilizó el protocolo VTC. La idea es que, tras cada paso corto de troterización, se ajustan los parámetros de un circuito parametrizado pequeño para que aproxime el estado al estado evolucionado exacto. La optimización se realizó con el método L-BFGS-B con arranque en caliente desde el paso anterior. Para reconstruir la amplitud de supervivencia ⟨ψ₀|ψ(t)⟩ se aplicó tomografía de estado cuántico (QST) seguida de una purificación al estado puro y alineación de la fase global mediante simulación numérica. Luego, la serie temporal se analizó ajustando sinusoides multifrecuencia y transformada de Fourier.
Para la molécula de H₂ a cinco distancias de enlace (0.25–2.25 Å), la fidelidad media del estado entre experimento y simulación superó el 99.6%. Las energías extraídas coincidieron con la diagonalización exacta dentro de 2×10⁻³ unidades atómicas, incluyendo estados excitados casi degenerados a grandes distancias. Para el modelo de Fermi-Hubbard en las fases metálica, intermedia y de Mott, la precisión de las energías alcanzó hasta 7×10⁻⁴. En la fase de Mott se lograron resolver tres niveles cercanos con un espaciamiento del orden de 0.03, algo inaccesible para la troterización estándar debido a la rápida decoherencia.
Este trabajo se distingue de investigaciones vecinas porque utiliza la evolución dinámica en hardware real, no el postprocesado clásico como en el trabajo anterior del mismo grupo sobre el modelo de Ising 3D. Es la primera demostración experimental de VTC para espectroscopía de dos clases diferentes de sistemas a la vez: molecular y de red. El método permite sortear la limitación del tiempo de coherencia, extendiendo la evolución efectiva sin aumentar la profundidad del circuito. Este enfoque abre el camino al estudio de transiciones metal-aislante y disociación de moléculas en dispositivos NISQ.
El escalado a un mayor número de cúbits se enfrentará al crecimiento exponencial del número de mediciones para la tomografía. Una solución podrían ser las mediciones con información completa, como SIC-POVM o la tomografía de sombras, que reducen el número de ejecuciones. Otro desafío es el equilibrio entre la expresividad del ansatz y su capacidad de aprendizaje; aquí ayuda el arranque en caliente, ya integrado en el protocolo. En el futuro, el método podría aplicarse a moléculas y redes más complejas, incluidos sistemas con fases topológicas.
El método es directamente aplicable en química cuántica para calcular espectros electrónicos de moléculas y en física de la materia condensada para modelar materiales fuertemente correlacionados. También es útil para problemas de dinámica cuántica donde se requiere una evolución prolongada con coherencia limitada.
Los próximos pasos incluyen la implementación de tomografía de sombras para reducir la carga de medición y probar el protocolo en sistemas con más cúbits. También se planea investigar la posibilidad de adaptar VTC a problemas con ruido y al uso de corrección de errores cuánticos.
El trabajo aborda el problema fundamental de simular con precisión la dinámica cuántica en dispositivos ruidosos de escala intermedia. Ofrece una forma práctica de superar las limitaciones del tiempo de coherencia sin corrección de errores completa, lo que sigue siendo una cuestión abierta para el escalado de los simuladores cuánticos.
La precisión en la extracción de energía de 2×10⁻³ unidades atómicas equivale a un error de aproximadamente 0.05 electronvoltios, comparable a la energía térmica a temperatura ambiente (alrededor de 0.025 eV).
La idea de comprimir la evolución cuántica en un circuito compacto recuerda el concepto de 'medidas plegadas' de la ciencia ficción, donde procesos complejos se empaquetan en representaciones simples para eludir las limitaciones de la realidad.