Las computadoras cuánticas son un poco como los bibliotecarios: ambos aborrecen el ruido.
En comparación con sus homólogos clásicos, los ordenadores cuánticos son quisquillosos y necesitan un entorno sereno para realizar sus cálculos en paz. Pero incluso el espacio más silencioso del universo reverbera con ruido cuántico: el inevitable movimiento de electrones y otros efectos atómicos. Si los físicos pudieran sofocar los errores cuánticos causados por el ruido en una computadora cuántica lo suficientemente grande, podrían realizar algunos cálculoscomo simulaciones exactas de moléculas, que son intratables para las computadoras clásicas.
Si bien las mejoras en el hardware ayudan, un ingrediente esencial es la corrección de errores cuánticos (QEC), un conjunto de técnicas para proteger la información de este ruido cuántico. “Necesitamos que nuestros qubits sean casi perfectos y no podemos lograrlo sólo con ingeniería”, dice Michael Newman, investigador de computación cuántica de Google.
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El lunes Google publicó su última investigación sobre corrección de errores en el diario Naturaleza y demostró, por primera vez, que los errores se pueden suprimir exponencialmente a medida que una computadora cuántica aumenta de tamaño. “A medida que se crea un sistema cada vez más grande, se mejora la corrección de errores, pero también se causan más errores”, dice Daniel Gottesman, teórico de la información cuántica de la Universidad de Maryland, que no participó en el estudio. “Cuando pasas esta transición, cuando puedes corregir los errores más rápido de lo que fueron causados, es cuando hacer sistemas cada vez más grandes lo hace mejor”.
Investigadores de Google crearon un chip de silicio con 105 qubits. contrapartes cuánticas a bits clásicos. Luego vincularon varios qubits físicos para formar un conglomerado llamado qubit lógico. El qubit lógico duró más del doble que cualquier qubit individual que lo compusiera, y tenía una probabilidad de error de una entre 1000 por ciclo de cálculo. (A modo de comparación, la tasa de error en una computadora clásica típica es aproximadamente uno en 1.000.000.000.000.000.000, esencialmente cero).
Los resultados se publicaron por primera vez en el servidor de preimpresión arXiv.org en agostopero hoy Google compartió detalles adicionales sobre la tecnología que permitió el avance: un nuevo procesador cuántico llamado Willow (una actualización de su predecesor con nombre arbóreo, Sycamore). “Los qubits realmente buenos son lo que permite la corrección de errores cuánticos”, dice Julian Kelly, director de hardware cuántico de Google y coautor del nuevo artículo.
Google no es la única empresa que ha logrado avances en la corrección de errores. En septiembre, un equipo conjunto de investigadores de Microsoft y Quantinuum, una empresa de computación cuántica con sede en Broomfield, Colorado, resultados publicados en arXiv.org que demostró que, utilizando qubits fabricados a partir de iones atrapados por láseres, podían codificar 12 qubits lógicos que tenían una tasa de error de dos entre 1.000.
Incluso con los avances en la corrección de errores, las aplicaciones prácticas de las computadoras cuánticas son poco probables en el corto plazo. Las estimaciones varían, pero el consenso entre muchos investigadores es que para resolver algoritmos útiles o realizar simulaciones químicas sólidas, una computadora cuántica necesitaría cientos de qubits lógicos con tasas de error inferiores a aproximadamente uno en un millón.
Todo ese ruido
Dos tipos principales de errores afectan a las computadoras cuánticas: cambios de bits y desfase. Un bit flip, que también ocurre en las computadoras clásicas, cambia un qubit de 0 a 1, o viceversa. La desfase saca a los qubits de su delicado estado cuántico, como sacar un pastel del horno antes de que esté listo. Cualquiera de los errores puede arruinar un cálculo.
La corrección de errores clásica a menudo preserva la información mediante redundancia. Si Alice quiere enviarle a Bob el mensaje “1”, podría enviarlo por triplicado, copiando el 1 dos veces para transmitir “111”. De esta manera, incluso si cambia un poco (lo que lleva a “101”), Bob todavía puede suponer que Alice tenía la intención de enviar “1”. Pero copiar información de esta manera está prohibido por las leyes de la mecánica cuántica. Por eso, en la década de 1990, los investigadores tuvieron que desarrollar la corrección de errores para las computadoras cuánticas. “Tenemos que difundir la información de tal manera que haya redundancia pero no copias”, dice Gottesman. Con la información distribuida como un qubit lógico, se puede conservar incluso si un qubit físico se pierde por error.
Los investigadores han estado implementando códigos que pueden detectar y corregir errores durante décadas, pero hasta hace poco simplemente no había suficientes qubits de alta calidad. Ahora el hardware finalmente ha llegado al punto en el que merece un software impresionante. En 2022 Google utilizó la corrección de errores en su procesador Sycamore para reducir la tasa de error general. Pero la tasa aún estaba por debajo de un umbral clave, por lo que agregar más qubits físicos a un qubit lógico produjo rendimientos decrecientes. “A medida que los qubits lógicos se hacen más grandes, hay más oportunidades de error”, dice Newman, coautor del nuevo estudio y de un artículo preimpreso sobre los resultados de 2022.
El último avance se debe en gran parte a Willow, que mejora a Sycamore en tres aspectos clave. En primer lugar, Willow simplemente tiene más qubits físicos: 105, en comparación con los 72 de Sycamore. Más qubits físicos significan qubits lógicos más grandes. “No se trata sólo del número de qubits”, afirma Kelly. “Todo tiene que funcionar al mismo tiempo”. Al perfeccionar sus procesos de fabricación, Kelly y sus colegas pudieron mejorar la calidad de los qubits individuales: los qubits de Willow son más robustos que los de Sycamore: mantienen su delicado estado cuántico cinco veces más tiempo y tienen tasas de error más bajas.
Para probar la corrección de errores, los investigadores de Google codificaron qubits lógicos cada vez más grandes: primero se componían de una cuadrícula de qubits físicos de 3×3, luego de una cuadrícula de 5×5 y finalmente representaron una cuadrícula de 7×7. A medida que crecieron los qubits lógicos, la tasa de error cayó precipitadamente. “Vi estos números y pensé: ‘Dios mío, esto realmente va a funcionar'”, dice Newman.
Sentido de escala
Los resultados de Google impresionaron ampliamente a los expertos. Científico americano examinó los informes de revisión por pares de cuatro árbitros anónimos. “Creo que este es un logro fantástico que ha entusiasmado a la comunidad”, concluyó uno. Otro estuvo de acuerdo y escribió que “ésta es una [of] los resultados más importantes del año (si no de la década) en información cuántica experimental”.
Graeme Smith, investigador de información cuántica de la Universidad de Waterloo en Ontario, está impresionado por el resultado porque no toma atajos. “Centrarse en la corrección de errores es lo correcto”, afirma. “Es una mejora real”. Muchos resultados de corrección de errores anteriores se basaban en la poselección, o la práctica de descartar ejecuciones plagadas de errores para crear una tasa de error artificialmente más baja.
Aún quedan salvedades por hacer, incluso con el resultado de Google. Krysta Svore, investigadora de computación cuántica de Microsoft, señala que según otra métrica, el error no fue uno entre 1.000 sino uno entre 100. Respondiendo a la crítica, un portavoz de Google dijo que “el número exacto… no es tan tan importante como el aumento del rendimiento al aumentar el tamaño. Esa es la clave que hace que esto sea escalable”.
En lo que todo el mundo parece estar de acuerdo es en que los avances recientes en la corrección de errores suponen un cambio radical. “Lo que es absolutamente emocionante en este momento es el progreso en la corrección de errores cuánticos”, dice Svore. Para Gottesman y otros que ayudaron a desarrollar la teoría detrás de la corrección de errores hace décadas, una larga espera ha terminado. “Ya es hora de que finalmente veamos estas demostraciones de tolerancia a fallos”, afirma.
El bombo publicitario en torno a las computadoras cuánticas ha sido enorme. En su forma más extrema, incluye afirmaciones de que los dispositivos canallami cáncer o resolver el cambio climático, o incluso que han creado un agujero de gusano. Los investigadores responsables se lamentan con frecuencia de que la exageración generará expectativas irrazonablemente altas e incluso puede conducir a un “invierno cuántico”, en el que la financiación se agotará. Los últimos resultados de corrección de errores revelan otra víctima potencial: avances genuinamente impresionantes, como éste, podrían descartarse de plano.