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

Este avance, si se puede ampliar con éxito, 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 del 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 estado mágico" (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 el 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 las computadoras cuánticas puede necesitar ser dedicada a la generación de estados mágicos, dejando recursos muy limitados para el cálculo real.

Si este avance puede ampliarse con éxito, comprimirá 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 un camino considerable hacia la computación cuántica práctica.

Hasta el cierre de esta edición, las acciones de Google subieron un 0.24% el jueves.

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

El estado mágico es un elemento clave para lograr la computación cuántica "universal". Para que un procesador cuántico ejecute 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 previsto por los investigadores desde 2004, y durante los últimos veinte años, la academia ha estado explorando continuamente formas de reducir el costo de producción de estados mágicos, pero el progreso ha sido lento.

Propuesta de cultivo de estado mágico, 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 estado mágico 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 un estado cuántico de alta pureza y baja tasa de error, y codificándolo 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 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 interfería 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 finalmente 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 el estado mágico cultivado puede 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 el estado cuántico purificado puede sobrevivir de manera estable dentro del hardware y transferirse con éxito, 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 poder aplicarse realmente a tareas de computación cuántica prácticas, y muchos desafíos técnicos siguen existiendo.