Avance en la computación cuántica de Google: reducción de la tasa de error en 40 veces, superando un cuello de botella clave de recursos

Si este avance puede ser ampliado con éxito, se reducirá drásticamente la escala de hardware necesaria para construir sistemas cuánticos tolerantes a fallos, lo que tiene una gran importancia para la comercialización de la computación cuántica.

Escrito por: Yang Chen, Wall Street Journal

El equipo de IA cuántica de Google ha logrado un avance clave en el campo de la computación cuántica, lo que podría reducir significativamente el costo de hardware necesario para construir sistemas cuánticos prácticos.

La investigación relacionada fue publicada el jueves en la revista "Science". Google ha verificado en su procesador Willow una técnica llamada "cultivo de estados mágicos" (magic state cultivation), que reduce la tasa de error cuántico en aproximadamente 40 veces, alcanzando una fidelidad lógica T de 99.99%. Este es el récord más alto en este campo hasta la fecha.

La producción de estados mágicos ha sido considerada durante mucho tiempo como un cuello de botella central para la escalabilidad de la computación cuántica; se estima que hasta el 95% de la potencia de cálculo de una computadora cuántica puede necesitar ser dedicada a la generación de estados mágicos, dejando recursos muy limitados para el cálculo real.

Si este avance puede ser ampliado con éxito, se reducirá drásticamente la escala de hardware necesaria para construir sistemas cuánticos tolerantes a fallos, lo que tiene una gran importancia para el camino hacia la comercialización de la computación cuántica.

Google también ha indicado que aún necesita validar la viabilidad de esta técnica a mayor escala, y que todavía hay una distancia considerable hacia la computación cuántica práctica.

Hasta el momento de la publicación, las acciones de Google subieron un 0.24% el jueves.

Estado mágico: el agujero negro de recursos de la computación cuántica

El estado mágico es un elemento clave para lograr la computación cuántica "universal". Si un procesador cuántico quiere realizar cálculos complejos que superen a las computadoras clásicas, debe depender de estados mágicos para generar el conjunto necesario de operaciones cuánticas. Sin embargo, una vez que se utiliza un estado mágico, no se puede reutilizar, lo que lo convierte en un recurso escaso.

El mayor desafío radica en el costo de producción. Algunas estimaciones de investigación indican que las computadoras cuánticas pueden necesitar dedicar hasta el 95% de su potencia total a la producción de estados mágicos, dejando recursos extremadamente escasos para las tareas de cálculo reales.

Este cuello de botella fue anticipado por los investigadores desde 2004, y durante los últimos veinte años, la comunidad académica ha estado explorando formas de reducir el costo de producción de estados mágicos, pero los avances han sido lentos.

Propuesta de cultivo de estados mágicos, mejora significativa en la eficiencia de recursos

En 2024, los investigadores de IA cuántica de Google, Craig Gidney, Noah Shutty y Cody Jones, propusieron un esquema de cultivo de estados mágicos basado en la literatura existente.

La idea central es diseñar el proceso de producción de estados mágicos como un mecanismo de filtrado: inyectar un estado cuántico ruidoso en una pequeña área del chip y luego detectar y eliminar intentos defectuosos a través de una serie de operaciones de medición altamente coordinadas, "cultivando" así estados cuánticos de alta pureza y baja tasa de error, y codificándolos simultáneamente en una forma utilizable a mayor escala.

Sin embargo, la transición de la teoría a la implementación de hardware no fue sencilla. La científica investigadora Emma Rosenfeld obtuvo datos en las pruebas iniciales que "parecían contradecir las leyes de la física".

Después de meses de investigación, el equipo descubrió que la raíz del problema estaba en un supuesto erróneo en la técnica de referencia de medición: el ruido causado por la deriva de los equipos eléctricos en el laboratorio y los cambios de temperatura interferían con la validez de las pruebas de referencia.

Para ello, el equipo no solo agregó controles adicionales al sistema para suprimir el impacto del ruido, sino que también inventó una nueva técnica de prueba de referencia, utilizando el propio proceso de cultivo como una herramienta de auto-calibración.

Fidelidad y errores rompen récords

En el procesador Willow, el esquema mencionado logró una reducción de la tasa de error de aproximadamente 40 veces en comparación con los estados cuánticos no cultivados, alcanzando una fidelidad lógica T de 99.99%, estableciendo un nuevo récord en el campo.

El equipo de Google también completó otra demostración importante: verificó que los estados mágicos cultivados pueden transferirse sin problemas entre dos diferentes esquemas de corrección de errores cuánticos; específicamente, trasladando el estado cuántico de un código de color de distancia -3 (un método de corrección de errores más nuevo adecuado para operaciones de cultivo) a un código de superficie de distancia -5 (un método de corrección de errores más maduro).

Esta operación de "injerto" demuestra que los estados cuánticos purificados pueden sobrevivir y transferirse de manera estable dentro del hardware, allanando el camino para la integración de la tecnología de cultivo de estados mágicos en la arquitectura de computación cuántica existente de Google.

A pesar de estos avances, Google ha dejado claro que la tecnología de cultivo de estados mágicos aún necesita ser validada a mayor escala antes de que pueda aplicarse realmente a tareas de computación cuántica prácticas, y aún existen muchos desafíos técnicos.

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