Montar un mueble suele empezar esparciendo todas las piezas por el suelo y clasificándolas en montones. En las computadoras cuánticas, el papel de esas piezas lo desempeñan las cadenas de Pauli, los ladrillos más simples con los que se construye la descripción de los electrones en una molécula. Pero hay una manera de armar el armario sin desmontarlo en tablas: los físicos japoneses de RIKEN y la Universidad de Tokio han demostrado que se puede construir el circuito cuántico directamente a partir de bloques enteros, conservando su lógica interna.

Normalmente, para simular el comportamiento de los electrones en una computadora cuántica, los físicos primero reescriben los operadores fermiónicos (operadores de creación y aniquilación de electrones) como largas sumas de cadenas de Pauli. Cada cadena es una operación separada, y para cada una hay que añadir sus propias compuertas. Como resultado, el circuito se infla y las conexiones entre las partes, que eran evidentes en la descripción original, desaparecen. Los autores del nuevo trabajo siguieron otro camino: diagonalizaron los pares de cadenas escalera directamente, utilizando estados entrelazados de muchos qubits (estados GHZ) y codificación de paridad. Para un operador de dos cuerpos que en el enfoque estándar requeriría 16 cadenas de Pauli, su circuito contiene solo una rotación multicontrolada y no requiere trotterización (aproximar la exponencial de una suma mediante el producto de exponenciales).

Luego comienza la optimización real. Los autores notaron que tres operadores de dos cuerpos con cuatro índices comunes se pueden agrupar en un solo circuito, donde las compuertas se cancelan gracias a la conmutación y a reescrituras locales. Como resultado, el número de compuertas CX (las operaciones principales que conectan qubits) para tal trío se reduce de 36 a 12. Y si se ordenan muchos de estos tríos, cambiando los índices de manera mínima, el escalado del número de compuertas pasa de cuadrático a lineal. Es como si, en lugar de atornillar cada tabla una y otra vez, ensamblara secciones completas del armario y las uniera entre sí.

Antes parecía que la descomposición en cadenas de Pauli era un paso obligatorio e imprescindible. Ahora se ve que preservar la estructura de alto nivel de los operadores fermiónicos abre posibilidades de optimización que no están disponibles después de la descomposición. El método se puede aplicar hoy mismo en simuladores cuánticos de estructura electrónica, especialmente en dispositivos con un número limitado de qubits y compuertas. Cada compuerta ahorrada significa menos ruido y más posibilidades de obtener una respuesta precisa.