Google mide ‘ecos cuánticos’ en el chip de computadora Willow Quantum

Google explora el caos cuántico en su chip informático cuántico más potente

Por Dan Garisto editado por Lee Billings

Las computadoras cuánticas todavía están en su infancia. Actualmente limitados a aproximadamente 100 qubits propensos a errores, los equivalentes cuánticos de los bits clásicos, están lejos de ser máquinas calculadoras supremas que son capaces de simular exactamente reacciones químicas y más. Los teóricos y experimentadores cuánticos están trabajando dentro de estas limitaciones para encontrar tareas factibles para que sus dispositivos muestren una ventaja sobre el rendimiento de las computadoras clásicas.

Los investigadores de Google han pasado años desarrollando una de esas tareas: medir cómo la información cuántica se mezcla con el tiempo. La información cuántica, como el estado de un qubit, puede dispersarse y desordenarse, un poco como una palabra gritada se vuelve confusa a medida que viaja largas distancias.

“Los diferentes sistemas codifican las cosas de diferentes maneras”, dice Shenglong Xu, teórico de la información cuántica de la Universidad Texas A&M, que no participó en la investigación de Google. “La forma en que se procesa la información nos dice sobre la naturaleza del sistema”. La información obtenida a partir de la codificación podría incluso proporcionar detalles que permitirían a los tecnólogos cuánticos lograr simulaciones moleculares precisas con sus máquinas.

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En un artículo preimpreso, publicado en línea en junio, el equipo de Google informó sobre la medición más profunda de la codificación de información hasta la fecha, que se logró con su chip Willow de 105 qubit. Mezclaron repetidamente la información, hicieron un pequeño ajuste y revirtieron el proceso, descifrando la información. (Google denominó al protocolo “Ecos cuánticos”, una referencia al eco del proceso repetitivo de descifrado). De hecho, la medición del equipo fue tan compleja que, utilizando los algoritmos actuales, una supercomputadora clásica sería mucho más lenta que Willow. Los resultados fueron publicados hoy en la revista Nature.

Los tres árbitros del artículo de Nature se mostraron ampliamente positivos sobre el logro técnico en los informes anónimos de revisión por pares que Google compartió con Scientific American. Uno de estos críticos elogió el trabajo como “verdaderamente impresionante” por “acceder experimentalmente a efectos de interferencia cuántica tan sutiles”. Pero los árbitros estaban divididos sobre el grado en que Google había demostrado una ventaja cuántica genuina.

Las demostraciones anteriores de ventaja cuántica han sido superadas a medida que los algoritmos clásicos han mejorado, por lo que los espectadores son cautelosos. El logro del equipo de Google “parece que va más allá de lo que podemos hacer ahora usando métodos clásicos”, dice Xu. “Es una contribución muy interesante al campo”.

Flota como un Qubit

El caos es común al mundo clásico porque los sistemas clásicos pueden ser muy sensibles a pequeños cambios en sus condiciones iniciales. En el ejemplo metafórico canónico, una mariposa bate sus alas en Brasil y la secuencia en cascada de perturbaciones atmosféricas conduce a un tornado en Texas.

Entonces, ¿qué le sucede a la proverbial mariposa en un sistema cuántico? “Siempre habrá pequeños [quantum] fluctuaciones”, dice Pieter Claeys, físico del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Dresde, Alemania, que no participó en el nuevo estudio. Al igual que la mariposa clásica, estas fluctuaciones también pueden tener efectos posteriores en la codificación de información en un sistema cuántico.

Para estudiar cómo se codifica la información cuántica, los investigadores utilizan un truco de descifrado llamado correlador de orden fuera de tiempo (OTOC). El protocolo OTOC es más o menos así: toma un cubo de Rubik resuelto y revuélvelo con una secuencia determinada de giros. Luego agrega un giro adicional y realiza la primera secuencia a la inversa. El primer y el último proceso (codificar y descodificar) se cancelan efectivamente, permitiéndole examinar los efectos del giro en el medio, apropiadamente llamado “operador mariposa”. (A esto a veces se le llama engañosamente “inversión del tiempo”. En realidad, el tiempo no se invierte en este proceso más que cuando se dice el alfabeto al revés).

En 2021, Google demostró el protocolo OTOC en su chip Sycamore, un predecesor de Willow de 53 qubits más propenso a errores. En una conferencia de prensa en la que se discutieron los nuevos resultados de Willow, Hartmut Neven, jefe del esfuerzo de computación cuántica de Google, describió los OTOC como una “medida de la rapidez con la que viaja la información en un sistema altamente entrelazado”. En su trabajo de 2021, los investigadores de Google pudieron observar en detalle cómo la información se propaga a través de la red de qubits de Sycamore, extendiéndose desde un estado inicial. Aunque intrigante, el resultado estaba al alcance de las supercomputadoras clásicas.

Para probar los límites de Willow, con su número duplicado de qubits y su fidelidad aproximadamente duplicada, los investigadores de Google lo ejecutaron a través de un protocolo OTOC duplicado: scramble, mariposa, descifrado, scramble, mariposa, descifrado. En la analogía del cubo de Rubik, estos pasos duplicados hicieron que la complejidad de la medición fuera mucho mayor. Al mismo tiempo, al reducir la detectabilidad general de la mariposa en el sistema codificado, la complejidad hizo que la medición fuera mucho más difícil de simular para las computadoras clásicas. Los investigadores de Google estiman que se necesitarían tres años para que una supercomputadora clásica hiciera lo que hizo Willow en dos horas. Algunos revisores pidieron precaución. Como se señaló, numerosas afirmaciones de ventaja cuántica, incluida una de Google en 2019, se han desmoronado a medida que los algoritmos clásicos han mejorado.

Al final del artículo de Nature, los investigadores de Google adelantaron que la “apasionante aplicación en el mundo real” del uso de OTOC para simulaciones moleculares aparecería en trabajos futuros.

Hoy, el equipo de Google comenzó a cumplir esa promesa y publicó los primeros pasos de su proceso en otra preimpresión. Los investigadores aplicaron un protocolo OTOC a Willow para estimar una propiedad clave de un sistema de moléculas orgánicas: la distancia entre dos átomos de hidrógeno. Aunque la técnica de simulación es todavía incipiente y no más rápida que los enfoques clásicos, parece concordar con los resultados experimentales.

Las aplicaciones prácticas de la química cuántica mecánicamente precisa no son los únicos aspectos intrigantes del último resultado. Físicos como Xu sienten curiosidad por saber qué pueden decir los protocolos OTOC duplicados o triplicados sobre la codificación de información.

Los OTOC podrían incluso ser una pista de un misterio central de la física: ¿qué sucede con la información dentro de un agujero negro? “La gente ha empezado a pensar en la codificación y la dinámica de la información en el contexto de la física de los agujeros negros”, dice Laura Cui, Ph.D. estudiante que investiga información cuántica en el Instituto de Tecnología de California. “Estamos en camino de resolverlo utilizando estas herramientas de la teoría de la información”.

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