El “Ocelot” de Caltech se convierte en el último avance en supresión de errores en la computación cuántica

El año pasado, McKinsey & Company publicó un informe exhaustivo que trazó la trayectoria futura de la computación cuántica. El informe fue nombrado ambiciosamente ‘The Rise of Quantum Computing’. Sin embargo, las ambiciones no estaban infundadas.

McKinsey dijo que el camino hacia la Computación Cuántica estaba impulsado por el ritmo acelerado de los avances tecnológicos, el aumento del flujo de inversiones y la proliferación del ecosistema de startups.

Todos estos factores fueron responsables de impulsar a los líderes empresariales a planificar estrategias robustas de computación cuántica. El análisis actualizado de McKinsey para el tercer Monitor Anual de Tecnologías Cuánticas revela que cuatro sectores —químicos, ciencias de la vida, finanzas y movilidad— probablemente verán el impacto más temprano de la computación cuántica y podrían ganar hasta 2 billones de dólares para 2035.

Para que la Computación Cuántica crezca como McKinsey la visualiza, requeriría un ecosistema de innovación próspero. En uno de los avances más vanguardistas al respecto, científicos del AWS Center for Quantum Computing on Caltech’s campus¹ han descubierto una forma de suprimir errores en computadoras cuánticas —un problema que podría convertirse en el mayor obstáculo para construir máquinas cuánticas preparadas para el futuro. 

¿Cuál era el ‘Problema’?

Construir una computadora cuántica de propósito general que vaya más allá del estudio de áreas de la física de nicho sigue siendo un desafío debido a su inherente sensibilidad al ruido. Los investigadores han descubierto que vibraciones, calor, interferencias electromagnéticas de teléfonos móviles y redes Wi‑Fi, e incluso rayos cósmicos y radiación del espacio exterior pueden perturbar los qubits —bits cuánticos— sacándolos de su estado cuántico y provocando errores significativamente mayores que en las computadoras clásicas.

Para detallar con mayor precisión científica, la investigación, titulada Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits, trabaja hacia la construcción de computadoras cuánticas que incorporen corrección de errores cuánticos. Contaría con un qubit lógico codificado redundántemente en muchos qubits físicos ruidosos.

Ocelot: La Solución

En palabras más simples, el equipo de científicos de AWS y Caltech demostró una nueva arquitectura de chip cuántico para suprimir errores usando un tipo de qubit conocido como qubit gato.

Los qubits gato no son nuevos; fueron propuestos por primera vez en 2001. Desde entonces, los investigadores los han desarrollado y refinado continuamente. El gran avance para el equipo llegó con la creación del primer chip de qubits gato escalable, diseñado para reducir eficientemente los errores cuánticos. El chip fue llamado Ocelot en honor al felino salvaje moteado y también hace referencia a la tecnología interna de “oscilador” que sustenta los qubits gato.

Según los investigadores, las tasas de error deben ser mil millones de veces mejores que las actuales. Solo entonces las computadoras cuánticas podrían considerarse exitosas. La nueva invención nos ayudaría a alcanzar el objetivo más rápido:

Según Oskar Painter (PhD’ 01), John G Braun es profesor de física aplicada y física en Caltech y jefe de hardware cuántico en AWS:

“Las tasas de error han disminuido aproximadamente un factor de dos cada dos años. A este ritmo, nos tomaría 70 años llegar a donde necesitamos estar. En su lugar, estamos desarrollando una nueva arquitectura de chip que podría llevarnos allí más rápido. Dicho esto, esto es un bloque de construcción temprano. Todavía nos queda mucho trabajo por hacer.”

Los investigadores, al señalar las desventajas de las tecnologías de qubits actuales, afirman que podrían requerir miles de qubits adicionales para proporcionar el nivel deseado de protección contra errores, lo cual es similar a que los medios de comunicación empleen un enorme edificio de verificadores de datos para validar la precisión de sus artículos en lugar de un pequeño equipo. Esto hace que el proceso se vuelva insostenible debido al costo de los gastos generales, que es excesivo y poco manejable.

Fernando Brandão, profesor Bren de Física Teórica en Caltech y director de ciencia aplicada en AWS, reconoce este problema. Él dice:

“Así que estamos probando nuevos enfoques de corrección de errores que reducirán los gastos generales.”

La tecnología de oscilación en la base de Ocelot

El equipo emplea un tipo de qubit formado a partir de circuitos superconductores hechos de osciladores de microondas, donde los estados 1 y 0 —que representan al qubit— se definen como dos amplitudes de oscilación a gran escala distintas. Este enfoque busca que los estados del qubit sean estables e inmunes a errores de inversión de bits.

Una vez que se corrigen los errores de inversión de bits, el otro error que queda por corregir es el error de inversión de fase. Para detectar errores de fase, el chip Ocelot despliega cuatro qubits auxiliares.

El sencillo código de repetición del equipo es eficaz para capturar los errores de inversión de fase y mejora a medida que el código aumenta de tres qubits gato a cinco qubits gato.

El camino a seguir para la investigación

Actualmente, la demostración está en una fase de prueba de concepto. Sin embargo, los investigadores involucrados en el proceso, como Painter, están entusiasmados con el rendimiento que Ocelot ha demostrado. Él dice:

“Es un problema muy difícil de abordar, y necesitaremos seguir invirtiendo en investigación básica mientras nos mantenemos conectados y aprendemos del importante trabajo que se realiza en el mundo académico.”

Como insinuó Painter, estas mejoras necesitan patrocinadores corporativos. Requieren inversiones para escalar. En los siguientes segmentos, discutimos un par de compañías que están realizando trabajos significativos en el campo de la computación cuántica.

1. IBM (IBM )

IBM, el gigante tecnológico reverenciado a nivel mundial, sigue comprometido con hacer práctica la computación cuántica para el mundo. Opera una división dedicada, IBM Quantum, que ofrece acceso a la mayor flota de computación cuántica del mundo a través de Qiskit —una plataforma que brinda herramientas y servicios de software para crear un modelo de programación holístico para la utilidad.

QuantumSafe de IBM, por ejemplo, protege a una empresa para el futuro cuántico, ofreciendo sus sistemas de 127 qubits de forma gratuita. Además, la plataforma brinda acceso a sistemas, documentación y recursos de aprendizaje, todo en un solo lugar.

La compañía está comprometida con hacer la computación cuántica responsable. La declaración de misión de la empresa al respecto es ser “el catalizador para que el mundo funcione mejor”, y lleva a cabo una Iniciativa de Quantum Responsable para asegurar que nuestro desarrollo esté alineado con esa misión.

Según IBM, la Computación Cuántica Responsable es la computación cuántica que es consciente de sus efectos. La empresa ha elaborado cinco Principios de Quantum Responsable para desarrollar y desplegar tecnología cuántica que el equipo sigue internamente. Estos principios son los siguientes:

• Generar un impacto social positivo.
• Explorar casos de uso con previsión.
• Promocionar los productos de IBM con precisión
• Tomar decisiones consistentes y basadas en principios
• Construir una comunidad cuántica diversa e inclusiva

Con un progreso constante a lo largo del IBM Quantum™ Roadmap, la empresa está actualizando su plataforma cuántica para ofrecer servicios en la nube de nivel empresarial.

Más específicamente, la empresa está actualizando con infraestructura de nivel empresarial. Sin embargo, para seguir siendo fluida para sus usuarios heredados, la compañía garantizará que la versión final de la nueva IBM Quantum Platform sea muy similar a la versión que usamos actualmente.

La compañía se asegurará de que los usuarios continúen teniendo acceso a la documentación y recursos de aprendizaje que tradicionalmente ha alojado. Sin embargo, la actualización mejorará el valor con un rendimiento potenciado y funciones poderosas.

Entre las características específicas, la actualización incluirá mayor privacidad y seguridad de datos, una experiencia de notificaciones simplificada, mejor navegación en la plataforma, opciones de varios idiomas para usuarios que hablen lenguas distintas al inglés, etc.

Para niveles mejorados de accesibilidad pública, IBM ha creado una Red Cuántica. La red apoya a empresas, universidades, laboratorios y líderes de la industria en sus trayectorias para avanzar la utilidad cuántica. Los miembros obtienen acceso a recursos de aprendizaje, expertos y eventos para acelerar la investigación y fomentar la colaboración.

Para el último año fiscal, IBM registró unos ingresos de 62,8 mil millones de dólares, un aumento del 1 por ciento, y un 3 por ciento a moneda constante.

Al hablar de sus resultados, Arvind Krishna, presidente del consejo, presidente y director ejecutivo de IBM, dijo:

“Hace tres años, establecimos una visión para un IBM de crecimiento más rápido y mayor rentabilidad. Estoy orgulloso del trabajo que el equipo de IBM ha realizado para cumplir o superar nuestros compromisos. Con nuestra estrategia enfocada, portafolio mejorado y cultura de innovación, estamos bien posicionados para 2025 y más allá, y esperamos un crecimiento de ingresos de al menos el cinco por ciento y un flujo de caja libre de aproximadamente 13,5 mil millones de dólares este año.”

2. Microsoft (MSFT )

Otro gigante tecnológico líder que realiza trabajos pioneros en el campo de la computación cuántica es Microsoft. Su visión es acelerar el descubrimiento científico mediante tecnología avanzada líder en la industria que impulsaría el descubrimiento científico.

Microsoft cuenta con las siguientes cuatro soluciones cuánticas:

• Plataforma Microsoft Quantum Compute: Una plataforma que permite una nueva generación de aplicaciones cuánticas.
• Azure Quantum Elements: Es una solución diseñada específicamente para acelerar el descubrimiento científico.
• Hardware Cuántico: Solución dirigida a desbloquear un superordenador cuántico escalado.
• Red Cuántica: Una solución que permite la computación cuántica distribuida con una red cuántica

Si observamos estas soluciones desde la perspectiva de sus usuarios, cada una brinda diferentes servicios. Por ejemplo, a través de la plataforma Microsoft Quantum Compute, es posible acceder a hardware cuántico de última generación, qubits lógicos confiables, modelos avanzados de IA y simulaciones HPC para acelerar descubrimientos científicos.

La solución Azure Quantum Elements ayuda a acelerar el descubrimiento científico para la química y la ciencia de materiales mediante computación de alto rendimiento, inteligencia artificial y un futuro ordenador cuántico.

A través de Microsoft Quantum Hardware, la compañía está diseñando un superordenador cuántico que permitirá al mundo abordar problemas como revertir el cambio climático y mejorar la seguridad alimentaria.

Finalmente, mediante Microsoft Quantum Networking, la empresa pretende ofrecer capacidades de redes cuánticas para escalar clústeres cuánticos y habilitar nuevas aplicaciones relacionadas con la seguridad.

Si profundizamos en Microsoft Quantum Hardware, nos daremos cuenta de que es, de hecho, un avance. Es un avance porque introduce la computación cuántica basada únicamente en mediciones, una forma fundamentalmente más simple de controlar la información cuántica.

Impulsado por un Núcleo Topológico, el procesador de Microsoft está diseñado para escalar a un millón de qubits —suficiente potencia de cálculo para abordar los desafíos más difíciles de la humanidad en energía, medicina y más allá.

En este sentido, se puede consultar el artículo de Microsoft, publicado en Nature, titulado ‘Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices.’

En conjunto, Microsoft Quantum Hardware se sustenta en los siguientes pilares fundamentales:

• Escalabilidad: La solución está diseñada para habilitar la computación cuántica útil
• Estabilidad: Es resistente a errores a nivel de hardware.
• Compactibilidad: El hardware es capaz de albergar más de un millón de qubits en un solo chip.
• Velocidad: Requiere menos de 1 microsegundo por operación.
• Controlabilidad: Sus pulsos de voltaje proporcionan un control digital preciso.

Si observamos las características clave de Azure Quantum Elements, su química generativa aprovecha el poder de la IA generativa para simplificar enormemente el descubrimiento y diseño de moléculas novedosas con propiedades deseadas. La función DFT acelerada determina las propiedades de moléculas con miles de átomos en horas, ofreciendo un aumento sustancial de velocidad respecto a otros códigos DFT.

Además, el ecosistema abierto facilita el uso de soluciones de software familiares optimizadas para Azure Quantum Elements.

Azure Quantum Elements de Microsoft ha ayudado a varias instituciones de investigación y empresas a ofrecer soluciones para el futuro. Por ejemplo, Unilever ha aprovechado el poder de la supercomputación y los servicios de IA de Microsoft para apoyar su transformación de I&D y la innovación de productos.

Microsoft y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico se unieron para identificar un nuevo material con potencial para mejores baterías. La compañía ha colaborado con AspenTech para diseñar un flujo de trabajo de química cuántica. También se ha asociado con Johnson Matthey para acelerar la innovación de pilas de combustible de hidrógeno con Azure Quantum.

Microsoft y 1910 Genetics se asociaron para impulsar la productividad de I&D en la industria farmacéutica, mientras que se unió a InQuanto para acelerar la química computacional cuántica. En conjunto, Microsoft ha desempeñado un papel clave al demostrar cómo la Computación Cuántica podría volverse eficientemente útil para un futuro robusto y eficiente.

En 2024, el año que marcó el 50.º aniversario de Microsoft como empresa. La compañía entregó más de 245 mil millones de dólares en ingresos anuales, un aumento del 16 por ciento interanual, y más de 109 mil millones de dólares en ingresos operativos, un 24 por ciento más. La empresa declaró categóricamente que se enfocaba en incubar productos técnicos y soluciones de soporte con potencial transformador para el futuro de la computación en la nube y el crecimiento continuo de la compañía, como la computación cuántica y la IA avanzada para la ciencia.

Mientras las grandes empresas tecnológicas hacen lo mejor que pueden, la investigación institucional no se queda atrás. Iniciamos nuestra discusión con una investigación de vanguardia, y concluiremos con un par más.

Haga clic aquí para aprender sobre el estado actual de la computación cuántica.

Más sobre la investigación en computación cuántica

Google Quantum AI y colaboradores publicaron su investigación en Nature en diciembre de 2024. Llevaba por título Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

La investigación abordó el problema de la corrección de errores cuánticos, una vía clave hacia la computación cuántica práctica. Al combinar múltiples qubits físicos en un qubit lógico, este enfoque suprime exponencialmente la tasa de error lógico a medida que se añaden más qubits.

Como resultado, los investigadores presentaron dos memorias de código de superficie por debajo del umbral en su generación más reciente de procesadores superconductores, Willow, un código de distancia 7 y un código de distancia 5 integrados con un decodificador en tiempo real.

Los resultados fueron significativos. El sistema mantuvo un rendimiento por debajo del umbral al decodificar en tiempo real, logrando una latencia promedio del decodificador de 63 microsegundos en distancias de cinco hasta un millón de ciclos, con un tiempo de ciclo de 1,1 microsegundos. Los investigadores afirmaron que su estudio indicaba que, si se escalara, el rendimiento del dispositivo podría cumplir los requisitos operacionales de algoritmos cuánticos tolerantes a fallas a gran escala.

En 2022, manteniendo la corrección de errores como foco, investigadores de IBM exploraron un código llamado gross code, un nuevo tipo de código que puede almacenar información cuántica de forma libre de errores con una fracción del gasto de hardware. Esto podría conducir a una corrección de errores con un sobrecosto significativamente menor.

En un artículo publicado en Nature, IBM buscó específicamente una memoria cuántica tolerante a fallas con bajo gasto de qubits, alto umbral de error y gran distancia de código. La compañía afirmó que su análisis matemático encontró ejemplos concretos de códigos qLDPC que cumplían todas las condiciones de ser tolerantes a fallas, poseer una memoria cuántica, y contar con un alto umbral de error, gran distancia de código y bajo gasto de qubits.

La empresa afirmó que su código pertenece a una familia de códigos llamada “Bivariate Bicycle (BB)”. Estos iban a moldear no solo la investigación futura de IBM, sino también la forma en que diseñamos sistemas cuánticos físicos.

En conjunto, existe un amplio margen para lograr un progreso constante en la búsqueda de la ventaja cuántica. Las inversiones públicas globales en tecnología cuántica alcanzaron los 42 mil millones de dólares en 2023, con China liderando las cifras con una inversión gubernamental anunciada de 15,3 mil millones de dólares.

Le siguieron Alemania, el Reino Unido, Estados Unidos y Corea del Sur, entre otros. El hecho de que economías tecnológicamente avanzadas estén invirtiendo más en computación cuántica y tecnologías relacionadas es una prueba de que su alcance es enorme. Lo que vemos ahora podría ser solo la punta del iceberg.

Haga clic aquí para obtener una lista de las cinco principales empresas de computación cuántica.