Montar un mueble normalmente empieza por vaciar todas las piezas en el suelo y clasificarlas 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 completos, 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 hincha y las conexiones entre las partes, que eran evidentes en la descripción original, desaparecen. Los autores del nuevo trabajo han seguido otro camino: han diagonalizado 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 (aproximación de la exponencial de una suma mediante el producto de exponenciales).
A continuación comienza la verdadera optimización. Los autores notaron que tres operadores de dos cuerpos con cuatro índices comunes pueden agruparse 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 básicas 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 cambia de cuadrático a lineal. Es como si, en lugar de atornillar cada tablón una y otra vez, ensamblaras secciones completas del armario y las unieras entre sí.
El circuito para un operador de dos cuerpos, que en el enfoque estándar requeriría 16 cadenas de Pauli, aquí cabe en una sola rotación multicontrolada. Es como si un acorde orquestal complejo se escribiera con una sola nota.
La idea de preservar la estructura en lugar de descomponerla en elementos simples recuerda al enfoque de la novela 'Anatema' de Neal Stephenson, donde los científicos manipulan conceptos complejos como un todo, sin reducirlos a primitivas.