Computación
Hito del Chip Cuántico Genera Entusiasmo para el Futuro de la Computación
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Un Nuevo Hito en la Computación Cuántica
La computación cuántica, junto con la IA, abre nuevas líneas de investigación tecnológica. A diferencia de otras plataformas de computación, como la fotónica, el grafeno o los organoides biológicos, se basa en operaciones sobre estados cuánticos. Algunas tecnologías cuánticas también usan silicio; el material y el modelo de cálculo son cuestiones distintas.
Un cúbit puede estar en una superposición de estados que representan 0 y 1. Al medirlo se obtiene un resultado según probabilidades determinadas por el estado. La superposición, el entrelazamiento y la interferencia permiten acelerar ciertos algoritmos, pero no todos los problemas ni simplemente calcular todas las respuestas a la vez.
En diciembre de 2024, Google presentó Willow. Según su estimación, ejecutó en menos de cinco minutos una prueba de muestreo de circuitos aleatorios cuya simulación clásica requeriría unos 10²⁵ años con los métodos y recursos de supercomputación usados en la comparación. Es una prueba especializada, no una demostración de esa ventaja para cualquier tarea útil.
Otro resultado fue la reducción de errores lógicos al ampliar códigos de corrección. El trabajo se publicó en línea en Nature en diciembre de 2024 con el título ”Quantum error correction below the surface code threshold”.
Conoce a Willow
The Google quantum computing chip in question is called Willow.
Fuente: Google
Willow continúa una línea de procesadores experimentales de Google, entre ellos Foxtail, Bristlecone y Sycamore.
Fuente: Google
La prueba utilizada fue el muestreo de circuitos aleatorios (RCS). Consiste en muestrear resultados de circuitos cuánticos y comparar la dificultad de simular su distribución con algoritmos clásicos. No mide cuántos cúbits equivalen directamente a una cantidad fija de bits clásicos.
Fuente: Google
Escalabilidad Finalmente al Alcance
Los estados cuánticos son sensibles al ruido del entorno y a errores de control. En los procesadores superconductores de Google se requieren temperaturas criogénicas. Otras plataformas, como átomos neutros, iones atrapados o fotones, usan técnicas distintas; no todos los ordenadores cuánticos necesitan superconductores.
«Para que un ordenador cuántico realice cálculos útiles, hace falta información cuántica y hay que protegerla del entorno y de nuestras propias manipulaciones».
Julian Kelly, responsable de hardware cuántico de Google.
Añadir cúbits físicos sin controlar sus errores no garantiza mayor capacidad útil. La corrección cuántica busca proteger información lógica mediante muchos componentes físicos, siempre que las tasas de error estén suficientemente bajas.
En ese ámbito, Willow representa un avance importante.
La presentación de Google explica sus resultados y condiciones experimentales:
Corrección de Errores
La corrección cuántica codifica la información de un cúbit lógico entre varios cúbits físicos y mide señales de error sin leer directamente el estado lógico.
A partir de esas mediciones, un decodificador infiere correcciones. No se trata simplemente de sustituir cúbits poco fiables para que todos funcionen igual.
Fuente: Google
La calibración, la reducción de fugas de estados y el control del hardware también ayudan a disminuir errores.
Umbral de Corrección de Errores Cuánticos
Por debajo de un umbral de error físico, aumentar la distancia de un código puede producir menos errores lógicos. Willow demostró este comportamiento para memorias de código de superficie en su experimento, no la ausencia de errores en cualquier cálculo.
Google informó de que, al ampliar las matrices del código de superficie de 3 × 3 a 5 × 5 y 7 × 7, la tasa de error lógico se redujo aproximadamente a la mitad en cada paso.
Fuente: Google
El resultado muestra una vía para proteger mejor la información mediante códigos mayores cuando el hardware está por debajo del umbral. No significa que todo error pueda corregirse añadiendo potencia de cálculo de forma indiscriminada.
La mejora del tiempo de coherencia de los cúbits contribuye a ello. Este tiempo caracteriza cuánto pueden conservar determinadas propiedades cuánticas antes de que el ruido las degrade.
Google comunicó tiempos característicos cercanos a 100 microsegundos para Willow, frente a cifras de alrededor de 20 microsegundos en la generación Sycamore de 2019. La comparación depende de la métrica concreta de coherencia.
La coherencia es un indicador importante, pero no determina por sí sola la fiabilidad. También cuentan los errores de puertas, medición, conectividad y decodificación. No constituye una ley de Moore cuántica establecida.
Google describe el resultado como una señal favorable para construir cúbits lógicos escalables y avanzar hacia algoritmos relevantes comercialmente. Es una valoración de la empresa y una meta futura, no una capacidad comercial ya demostrada.
El avance se apoyó en años de desarrollo de procesadores superconductores y su fabricación.
De lo Físico a lo Lógico
Los cúbits físicos son los elementos del dispositivo. Los cúbits lógicos codifican información protegida mediante corrección de errores. Los experimentos cuánticos también pueden usar cúbits físicos directamente, aunque con mayores limitaciones por el ruido.
El número de cúbits físicos necesario por cúbit lógico depende del código, del error del hardware y del error objetivo del algoritmo. Estimaciones de cientos o miles no son una proporción fija ni una capacidad ya disponible en Willow.
Willow tiene 105 cúbits físicos. El experimento ya codificó memorias lógicas, pero no un ordenador de uso general con numerosos cúbits lógicos y operaciones plenamente tolerantes a fallos.
Próximos Pasos
El resultado acerca la posibilidad de sistemas tolerantes a fallos. La reducción exponencial del error observada se refiere al aumento de la distancia del código en las condiciones del experimento.
Los próximos pasos incluyen mejorar el hardware, ampliar códigos y demostrar operaciones lógicas fiables. No basta con añadir cúbits para obtener automáticamente un equipo comercial.
También será necesario realizar puertas entre cúbits lógicos y coordinar muchas operaciones. Conectar módulos separados es otra posible estrategia, no el único paso pendiente.
Una máquina útil deberá ejecutar algoritmos completos con fiabilidad, coste y tiempos adecuados para aplicaciones concretas.
Otros avances pueden contribuir a distintas arquitecturas, por ejemplo:
- Resonadores nanomecánicos, investigados para detectar o controlar estados cuánticos.
- Resonadores superconductores SNAIL (Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement), que permiten interacciones útiles en circuitos y enfoques de variables continuas. No son simplemente cúbits que superponen 0 y 1 de otra manera.
- Mejores materiales superconductores, para reducir pérdidas y ruido.
Willow es un avance importante, pero no establece por sí solo una fecha segura para la computación cuántica comercial. Hartmut Neven, responsable de Google Quantum AI, situó las aplicaciones más amplias hacia finales de la década en las previsiones citadas en 2024:
«Un chip capaz de realizar aplicaciones comerciales no aparecería antes de finales de la década. Inicialmente, estas aplicaciones serían simulaciones de sistemas en los que los efectos cuánticos son importantes, por ejemplo en el desarrollo farmacéutico, materiales y baterías».
Aplicaciones
Entre los posibles usos futuros destacan los problemas para los que existan algoritmos con ventaja cuántica demostrable:
- Modelado bioquímico: simular moléculas y reacciones puede apoyar la investigación biomédica. Esto no garantiza resolver de forma directa todos los problemas de plegamiento proteico o expresión genética.
- Modelado climático: se estudian posibles algoritmos para partes de modelos complejos. Aún no está demostrada una aceleración general de los modelos climáticos frente a la supercomputación clásica.
- Semiconductores: la simulación de materiales y dispositivos cuánticos puede contribuir a diseñar componentes. Los chips clásicos no necesitan necesariamente un ordenador cuántico para seguir mejorando.
- Ciencia de materiales: comprender estados electrónicos y reacciones puede ayudar a investigar baterías, catalizadores y nuevos materiales.
- Criptografía: un ordenador cuántico suficientemente grande y tolerante a fallos amenazaría sistemas de clave pública como RSA y criptografía de curva elíptica. No vuelve obsoletos todos los cifrados actuales; existen técnicas poscuánticas y los sistemas simétricos tienen implicaciones diferentes.
Riesgos
El riesgo criptográfico requiere preparación, aunque Willow no pueda romper hoy los sistemas de clave pública utilizados a gran escala.
Tras su anuncio se debatió sobre posibles amenazas para Bitcoin. Sus firmas digitales podrían ser vulnerables a futuros ordenadores cuánticos suficientemente potentes; el anuncio de Willow no demostró esa capacidad.
El problema también afecta a sistemas financieros, comunicaciones y otras infraestructuras que usan criptografía vulnerable. El riesgo no se limita a las criptomonedas.
La migración requiere inventariar sistemas, actualizar protocolos y proteger datos que podrían almacenarse hoy para descifrarlos en el futuro. No significa que todos los sistemas de seguridad puedan romperse inmediatamente.
En febrero de 2024 Apple (AAPL ) anunció PQ3 para iMessage, un protocolo híbrido con componentes poscuánticos diseñado para resistir futuras amenazas. “Resistente” no significa una garantía absoluta; otras organizaciones necesitan sus propias migraciones y comprobaciones.
No hay una fecha demostrada para una máquina capaz de romper la criptografía relevante a gran escala. Esa incertidumbre aconseja prepararse sin presentar el riesgo como una catástrofe inminente ya causada por Willow.
Empresa de Computación Cuántica
GOOGL Gráfico de precios
Google investiga computación cuántica mediante Google Quantum AI y su campus de Santa Bárbara.
En 2019 afirmó que Sycamore realizó en 200 segundos una prueba que estimó en 10.000 años de simulación clásica. Después se desarrollaron métodos clásicos más eficientes, lo que ilustra que estas comparaciones dependen de los algoritmos y supuestos.
La comparación de Willow también debe interpretarse dentro de su prueba y estimaciones específicas.
Google desarrolla asimismo software cuántico, aprovechando su experiencia en herramientas informáticas.
Google Quantum AI ofrece bibliotecas y herramientas para investigar circuitos y algoritmos cuánticos.
También invita a investigadores, ingenieros y desarrolladores a consultar su software de código abierto y sus materiales formativos, incluido un curso en Coursera, para aprender corrección de errores cuánticos y explorar algoritmos..
El software abierto, el hardware y sus servicios en la nube pueden dar a Google una posición relevante en el sector. La adopción de estándares y la competencia futura siguen abiertas.
Alphabet (GOOG ) también desarrolla negocios de IA y conducción autónoma mediante Waymo. Su potencial de ingresos es distinto del de la computación cuántica y no garantiza rentabilidad futura.
