Google anunció que su equipo de inteligencia artificial cuántica ha superado un importante obstáculo en la computación cuántica: ha demostrado la viabilidad de la técnica de "preparación de estados mágicos" en el procesador Willow, logrando una reducción del error de aproximadamente 40 veces en comparación con la ausencia de esta tecnología. Este avance se publicó hoy en la revista Science y representa un paso clave hacia la escalabilidad y la viabilidad práctica de la computación cuántica.
El equipo de inteligencia artificial cuántica de Google demuestra la viabilidad de la técnica de preparación de estados mágicos
Desde 2004, los investigadores han anticipado un obstáculo complicado. Para lograr la computación cuántica universal y ejecutar programas de valor práctico, es necesario poder realizar un conjunto específico de operaciones cuánticas. La forma de lograrlo es preparar lo que se conoce como "estado mágico", un término que proviene de la capacidad de estos estados cuánticos para generar cálculos cuánticos que superan a los clásicos. Sin embargo, hay un problema: preparar estados mágicos de alta calidad y corregidos es extremadamente costoso en recursos. Algunas estimaciones sugieren que una computadora cuántica podría necesitar utilizar hasta el 95% de su potencia total para generar estados mágicos, dejando pocos recursos para cálculos reales.
Además, una vez que se utiliza un estado mágico, no se puede reutilizar, lo que lo convierte en un recurso escaso. Por lo tanto, los investigadores han estado trabajando continuamente para reducir el costo de recursos en la preparación de estados mágicos.
En 2024, los investigadores de Google Quantum AI, Craig Gidney, Noah Shor y Cody Jones, se basaron en ideas de la literatura y las optimizaron, desarrollando lo que ahora se conoce como la técnica de preparación de estados mágicos. Este enfoque promete reducir significativamente el consumo de recursos, funcionando como un filtro. Se inyecta un estado cuántico ruidoso en una pequeña área del chip cuántico y luego se ejecuta una serie de mediciones altamente coordinadas para identificar errores y eliminar muestras no válidas. El equipo de Craig demostró que, gracias a este método, se pueden "cultivar" estados cuánticos de alta pureza y bajo error, que además pueden ser convertidos simultáneamente en formas de codificación más grandes y de valor práctico.
Si se puede implementar en hardware cuántico, se podría reducir significativamente la escala de las computadoras cuánticas necesarias para tareas prácticas.
Durante la primera prueba del protocolo de preparación, la investigadora de Google Quantum AI, Emma Rosenfeld, observó datos que parecían contradecir las leyes de la física. Después de meses de investigación, simulaciones, discusiones entre pares y verificaciones de consistencia, descubrió que el problema se originaba en suposiciones erróneas en los métodos de medición utilizados por el equipo. En concreto, el desvío de los equipos eléctricos del laboratorio y las fluctuaciones de temperatura generaban un tipo de ruido que interfería en la validez de los resultados de referencia. El equipo necesitaba ajustar simultáneamente el marco teórico y el diseño ingenieril, añadiendo controles adicionales al sistema para mitigar el impacto de este ruido, y también innovó un nuevo método de referencia, utilizando la técnica de preparación como herramienta de medición para abordar el problema desde su raíz.
Con base en este logro y más innovaciones algorítmicas y de ingeniería, Google ha llevado la tecnología de medición cuántica a un nuevo nivel de excelencia. En el procesador Willow de Google Quantum AI, este protocolo logró una compresión de error de hasta 40 veces en comparación con los estados cuánticos que no han sido tratados con la técnica de preparación; la fidelidad lógica del estado T alcanzó un récord del 99.99%. Este resultado ya ha sido publicado en Science, demostrando por primera vez una solución viable a uno de los cuellos de botella más graves en la computación cuántica, probando en hardware real que Google puede preparar eficientemente este estado mágico clave.
Google también ha verificado preliminarmente que la teoría propuesta por Craig y su equipo puede adaptarse a su arquitectura de computación cuántica. El equipo logró alternar entre el "color code" (un nuevo tipo de código de corrección cuántica, muy adecuado para la preparación de estados mágicos) y el "surface code" (un enfoque de corrección más maduro), acoplando un estado cuántico de color code de distancia 3 a un surface code de distancia 5. Este protocolo de acoplamiento, que se originó en un artículo teórico de 2024, ha sido confirmado en este experimento, demostrando que los estados cuánticos purificados pueden mantenerse estables y transmitirse de manera fluida dentro del hardware.