Google anunció que su equipo de Quantum AI ha logrado superar un importante obstáculo en la computación cuántica: ha demostrado la viabilidad del enfoque 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 técnica. Este resultado innovador fue publicado hoy en la revista Science, representando un paso clave para llevar la computación cuántica hacia la escalabilidad y la aplicabilidad práctica.
El equipo de Quantum AI de Google demuestra con éxito la viabilidad de la tecnología de preparación de estados mágicos
Desde 2004, los investigadores habían 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 preparando lo que se denomina "estado mágico", un término que proviene del hecho de que este tipo de estado cuántico puede generar cálculos cuánticos que superan lo que se puede lograr con la computación clásica. Sin embargo, existe un problema: preparar estados mágicos de alta calidad y corregidos es extremadamente costoso en términos de recursos. Algunas estimaciones sugieren que una computadora cuántica podría necesitar utilizar hasta el 95% de su capacidad total para generar estados mágicos, dejando muy pocos recursos para cálculos reales.
Además, una vez que se utiliza un estado mágico, no puede ser reutilizado, 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, tomaron ideas de la literatura y las optimizaron, desarrollando lo que ahora se conoce como tecnología de preparación de estados mágicos. Este enfoque promete reducir drásticamente el consumo de recursos, funcionando como un filtro. Se inyecta un estado cuántico ruidoso en una pequeña área del chip cuántico, seguido de una serie de mediciones altamente coordinadas para identificar errores y eliminar muestras no válidas. El equipo de Craig demostró que, mediante este método, se pueden "cultivar" estados cuánticos de alta pureza y bajo error, que pueden ser convertidos simultáneamente en una forma de codificación más grande y de valor práctico.
Si se puede implementar en hardware cuántico, esto podría reducir significativamente la escala requerida de las computadoras cuánticas 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. Tras meses de investigación, simulaciones, discusiones entre pares y validaciones de consistencia, descubrió que el problema provenía de suposiciones erróneas en los métodos de medición utilizados por el equipo. Específicamente, una clase de ruido causada por la deriva del equipo eléctrico del laboratorio y fluctuaciones de temperatura interfería con la validez de los resultados de referencia. El equipo necesitaba ajustar simultáneamente el marco teórico y el enfoque ingenieril, añadiendo controles adicionales al sistema para mitigar el impacto de este ruido, e innovaron un nuevo método de referencia que utiliza la propia tecnología de preparación como herramienta de medición, resolviendo el problema desde su raíz.
Gracias a este logro y a más innovaciones en algoritmos y enfoques ingenieriles, 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 estados cuánticos que no han sido preparados; la fidelidad lógica del estado T alcanzó un récord de 99.99%. Este resultado ya ha sido publicado en Science, demostrando por primera vez una solución viable a uno de los obstáculos más graves en la computación cuántica en hardware real, comprobando que Google puede preparar de manera eficiente 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), integrando un estado cuántico de color code de distancia 3 con un surface code de distancia 5. Este protocolo de integración se originó en un artículo teórico de 2024, y este experimento confirma que los estados cuánticos purificados pueden mantenerse estables y transmitirse de manera fluida dentro del hardware.