Resumen:
Google anunció que el equipo de Inteligencia Artificial Cuántica de Google ha superado con éxito un cuello de botella clave en la computación cuántica: ha demostrado que la solución de "cultivo del estado mágico" es factible en el procesador Willow, y el error se reduce aproximadamente 40 veces en comparación con no utilizar esta tecnología. Este revolucionario resultado se publicó hoy en la revista Science y es un paso clave en la promoción de la aplicación práctica a gran escala de la computación cuántica.
Cuello de botella mágico
Ya en 2004, mucho antes de que la computación cuántica se convirtiera en una dirección práctica de la ingeniería, los investigadores predijeron un espinoso cuello de botella.
Quiere realizar la
computación cuántica universal
, para ejecutar un programa de valor práctico, debe poder realizar un conjunto específico de operaciones cuánticas. Esto se logra preparando primero los llamados "estados mágicos", llamados así porque estos estados cuánticos pueden generar operaciones cuánticas más allá de las requeridas para los cálculos clásicos.Pero aquí hay un problema: producir monstruos de alta calidad y con corrección de errores requiere muchos recursos. Algunas estimaciones muestran que una computadora cuántica puede utilizar hasta el 95% de toda la potencia informática para generar estados mágicos, dejando muy pocos recursos para los cálculos reales. Hay otra dificultad: una vez que se utiliza el estado mágico, no se puede reutilizar y es un recurso escaso.
Por lo tanto, durante las últimas dos décadas, los investigadores científicos han estado reduciendo continuamente el costo de los recursos de la preparación del estado mágico.
Cómo lograr este avance
En 2024, los investigadores de Google Quantum AI Craig Gidney, Noah Schulti y Cody Jones tomaron prestadas ideas de la literatura y las optimizaron para desarrollar lo que ahora se llama
Cultivo del estado mágico
. tecnología. Se espera que este programa reduzca significativamente el consumo de recursos. La idea central es: el proceso de cultivo es como un filtro. Se inyectan estados cuánticos ruidosos en una pequeña área del chip cuántico y luego se realizan una serie de mediciones altamente coordinadas para solucionar errores y eliminar muestras no calificadas. El equipo de Craig demostró que con este método es posible "cultivar" estados cuánticos con una pureza extremadamente alta y un error bajo, y al mismo tiempo convertirlos en formas de codificación prácticas y de mayor escala.Esta solución tiene excelentes resultados teóricos. Si se puede implementar en hardware cuántico, se puede reducir significativamente la escala de computadoras cuánticas necesarias para tareas prácticas.
Al igual que muchas investigaciones y desarrollos de nuevas tecnologías, la implementación de proyectos requiere una serie de innovación tecnológica e investigación de ingeniería.
Un ejemplo: al probar el protocolo de cultivo por primera vez, la investigadora de IA cuántica de Google, Emma Rosenfield, observó datos que parecían desafiar las leyes de la física. Después de meses de resolución de problemas, simulaciones, discusiones entre pares y comprobaciones de coherencia, descubrió que el problema se debía a suposiciones incorrectas en los métodos de medición comúnmente utilizados por el equipo. Específicamente, un tipo de ruido causado por la deriva y las fluctuaciones de temperatura en los equipos eléctricos de laboratorio interfiere con la validez de los resultados de las pruebas de referencia. El equipo necesita ajustar simultáneamente el marco teórico y los planes de ingeniería. El equipo de investigación añadió métodos de control adicionales al sistema para debilitar el impacto del ruido; también creó un conjunto de métodos de prueba de referencia para utilizar la tecnología misma como herramienta de medición para resolver el problema desde la raíz.
A partir de este logro y de más innovaciones en algoritmos y soluciones de ingeniería, Google ha llevado la tecnología de medición cuántica a un nuevo nivel superior. En el procesador Willow de Google Quantum AI, este protocolo logra una compresión de errores de hasta 40 veces en comparación con los estados cuánticos sin procesamiento de cultivo; la fidelidad lógica del estado T resultante alcanza un récord del 99,99%.
Este resultado ha sido publicado ahora en Science. Es la primera vez que se demuestra una solución factible a uno de los cuellos de botella de recursos más graves en la computación cuántica y demuestra en hardware real que Google puede preparar de manera eficiente este estado mágico clave.
Resultados de la investigación y perspectivas de futuro
Google también ha verificado inicialmente que la teoría propuesta por Craig y otros puede adaptarse a su arquitectura de computación cuántica. El equipo realizó el cambio entre "código de color" (un nuevo tipo de código de corrección de errores cuánticos, muy adecuado para el cultivo de estados mágicos) y "código de superficie" (un esquema de corrección de errores más maduro), injertando el estado cuántico del código de color con una distancia de 3 al código de superficie con una distancia de 5. Este protocolo de injerto surgió por primera vez de un artículo teórico en 2024. Este experimento confirmó que el estado cuántico purificado puede sobrevivir de manera estable y transmitirse sin problemas en el hardware.
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