El chip Willow de Google: La física de la verdadera supremacía cuántica

Es un número tan grande que el cerebro humano no puede comprenderlo: 10 septillones de años.

Eso es $10^{25}$ años. A modo de contexto, el universo tiene sólo unos $13,8$ mil millones de años. Si comenzaras un cálculo en la supercomputadora más poderosa del mundo (actualmente el sistema de exaescala Frontier) en el momento del Big Bang, todavía estarías a menos del 0,000000001% del problema actual.

El nuevo procesador cuántico de Google, Willow, acaba de terminar ese cálculo en menos de cinco minutos.

Esto sirve como titular de la última afirmación de Google sobre la “Supremacía Cuántica”, un término que describe el umbral en el que una computadora cuántica puede realizar una tarea que es prácticamente imposible para cualquier computadora clásica. Pero si bien la velocidad es deslumbrante, en realidad es la parte menos interesante del anuncio. La verdadera historia, la que cambiará la trayectoria de la tecnología humana, se esconde en el ruido.

Por primera vez, Google ha demostrado que agregar más qubits a un procesador puede en realidad reducir la tasa de error, en lugar de aumentarla. Este es el “Santo Grial” de la mecánica cuántica, un gran avance en la corrección de errores cuánticos (QEC) que allana el camino desde juguetes experimentales hasta máquinas que cambiarán el mundo.

El gancho: por qué esto es importante ahora

Durante décadas, la computación cuántica ha estado estancada en la era “NISQ”, Noisy Intermediate-Scale Quantum.

En esta época, construir una computadora cuántica era como intentar construir un castillo de naipes en un túnel de viento. Se podrían agregar más tarjetas (qubits) para agrandar la estructura, pero cuanto más grande se hacía, más inestable se volvía. El “viento” (ruido ambiental, calor, radiación) inevitablemente colapsaría el estado cuántico (decoherencia) antes de que se pudiera terminar cualquier cálculo útil.

Los críticos, incluidos muchos físicos destacados, argumentaron que esto podría ser una ley fundamental de la naturaleza. Sugirieron que a medida que se ampliara un sistema cuántico, el ruido aumentaría exponencialmente, impidiendo para siempre realizar cálculos útiles.

Willow les ha demostrado que estaban equivocados.

Con 105 qubits, Willow no sólo es más grande que su predecesor, Sycamore (53 qubits). Es exponencialmente más silencioso. Google ha demostrado que al recopilar datos de múltiples qubits físicos para formar una instrucción lógica, pueden reducir la tasa de error a medida que el sistema crece.

Este es el “momento transistor” de la computación cuántica. Así como el tubo de vacío dio paso al confiable transistor, la industria está pasando ahora de qubits ruidosos y frágiles a qubits estables y con corrección de errores.

Análisis técnico profundo: la física del sauce

Para entender por qué Willow es una obra maestra de la ingeniería, hay que observar la física del Transmon Qubit.

1. La Arquitectura

Willow utiliza 105 qubits superconductores dispuestos en una cuadrícula específica. A diferencia de los bits de su computadora portátil, que son transistores microscópicos grabados en silicio, estos qubits son circuitos macroscópicos hechos de metales superconductores (generalmente aluminio o niobio) enfriados hasta casi el cero absoluto (alrededor de 20 miliKelvin).

A estas temperaturas, el metal pierde toda resistencia eléctrica. Los electrones se emparejan formando “pares de Cooper” y fluyen sin fricción. Esto permite que el circuito se comporte como un único átomo artificial. Al manipular este circuito con pulsos de microondas, los ingenieros pueden forzarlo a un estado de superposición, siendo “0” y “1” simultáneamente.

2. El problema del ruido

El problema es que estos átomos artificiales son increíblemente sensibles. Un fotón perdido, una fluctuación magnética o incluso un rayo cósmico que golpea el chip pueden causar “decoherencia”, colapsando la superposición y arruinando el cálculo.

En chips anteriores, agregar más qubits agregaba más vías para que se propagaran los errores. Si una máquina de 50 qubits tuviera una tasa de precisión por paso del 99%, una máquina de 100 qubits podría caer al 50% o menos simplemente porque hay más puntos de falla.

3. El efecto “Zeno” y la corrección de errores

Willow presenta un nuevo esquema para la corrección de errores en tiempo real. Agrupa efectivamente qubits físicos para votar sobre el estado correcto.

El avance se basa en un concepto similar al Efecto Zenón Cuántico, donde observar un sistema con frecuencia puede “congelar” su evolución o, en este caso, detectar errores antes de que se propaguen. Willow mide la “paridad” de los qubits vecinos, comprobando si son iguales o diferentes, sin medir realmente los qubits en sí (lo que destruiría los datos).

Si el sistema detecta un error (como un cambio de bit), puede aplicar una corrección en tiempo real. Los datos muestran que a medida que Google aumentó la distancia del código (el número de qubits físicos que respaldan uno lógico), la tasa de error cayó exponencialmente.

Esto confirma que La corrección de errores cuánticos funciona. Un qubit lógico ahora puede durar más que los qubits físicos que lo componen. Es un desafío de ingeniería, no una imposibilidad física.

El punto de referencia: muestreo aleatorio de circuitos

La tarea que realizó Willow se llama Muestreo de circuito aleatorio (RCS).

RCS es esencialmente una prueba de estrés. A la computadora se le da una secuencia aleatoria de puertas cuánticas (operaciones) para aplicar a sus qubits, y debe generar una cadena de cadenas de bits que coincidan con la distribución estadística de ese circuito aleatorio.

Es un cálculo inútil, que no simula nada y no dice nada a los investigadores sobre el universo. Se elige específicamente porque es extremadamente difícil para una computadora clásica.

• Dificultad clásica: Para simular un sistema cuántico de $N$ qubits, una computadora clásica necesita $2^N$ bytes de memoria. Para 53 qubits (Sycamore), esto era petabytes. Para 105 qubits (Willow), la necesidad de memoria supera el número de átomos del universo visible.
• Rendimiento de Willow: Willow puede ejecutar estos circuitos de forma nativa porque es el sistema que se está simulando.

Cuando Google dice “10 septillones de años”, quiere decir que verificar estadísticamente la salida de los complejos circuitos de Willow utilizando los algoritmos clásicos más inteligentes conocidos hoy en día en la supercomputadora más grande llevaría eones.

Sin embargo, vale la pena señalar la rivalidad aquí. IBM a menudo argumenta que RCS es un “truco de partido” y que estos límites de tiempo teóricos pueden reducirse mediante aproximaciones clásicas inteligentes. Pero incluso con los métodos de “red tensorial” más generosos que utilizan los algoritmos clásicos eficientes, Willow sigue estando efectivamente fuera de su alcance.

Historia contextual: el camino desde Sycamore

El viaje a Willow ha sido duro.

• 2019 (Sycamore): Google afirma la supremacía cuántica con 53 qubits. El cálculo tomó 200 segundos frente a los 10.000 años estimados para una supercomputadora. IBM refutó de inmediato, afirmando que podían hacerlo en 2,5 días en su supercomputadora Summit utilizando almacenamiento en disco duro. La afirmación fue controvertida.
• 2021-2023 (The IBM Eagle & Osprey): IBM aumentó el número de qubits puros y lanzó chips con 127 y luego 433 qubits. Sin embargo, Google argumentó que cantidad sin calidad no tenía sentido. Un chip de 433 qubits con altas tasas de error es sólo un generador de números aleatorios.
• 2024 (Willow): Google contraataca. No optaron por 1.000 qubits. Optaron por 105 qubits mejores.

Esto señala una divergencia en la filosofía. IBM está impulsando una “Escala de utilidad” (resolviendo problemas más pequeños y útiles ahora con mitigación de errores), mientras que Google está impulsando una “Tolerancia a fallos” (demostrando primero la física de la corrección de errores). Willow sugiere que la apuesta de Google por la física está dando sus frutos.

Análisis prospectivo: ¿El “código rojo” para el cifrado?

Siempre que se produce un avance cuántico, la primera pregunta es: “¿Es seguro Bitcoin?”

El temor surge del Algoritmo de Sho, un método cuántico que puede factorizar números primos grandes exponencialmente más rápido que las computadoras clásicas. Dado que el cifrado RSA (que protege su cuenta bancaria y el tráfico web) se basa en la dificultad de factorizar números primos, en teoría una poderosa computadora cuántica podría piratear Internet.

La respuesta: Estás a salvo… por ahora.

Para ejecutar el algoritmo de Shor en una clave RSA de 2048 bits, no solo necesita 2048 qubits. Necesitas 2048 qubits perfectos y lógicos. Debido a la necesidad de corrección de errores, cada qubit lógico puede requerir 1000 qubits físicos.

Eso requiere una máquina con aproximadamente 20 millones de qubits físicos. Google tiene 105.

La industria todavía está a órdenes de magnitud de distancia del “Q-Day” (el día en que las computadoras cuánticas rompan el cifrado). Sin embargo, Willow fuerza una actualización de las líneas de tiempo.

• Antes de Willow: A los físicos les preocupaba que las tasas de error se saturaran, lo que significaría que la humanidad podría nunca alcanzar los 20 millones de qubits coherentes.
• Después de Willow: Se ha demostrado que la corrección de errores funciona. Ya no es un problema de física; es un problema de ingeniería.

El verdadero impacto inmediato: simulación

Mucho antes de descifrar códigos, chips como Willow (y sus sucesores) revolucionarán la simulación.

• Fijación de nitrógeno tipo P: La producción de amoníaco para fertilizantes consume el 2% de la energía mundial. Requiere calor y presión elevados (proceso Haber-Bosch). Las bacterias lo hacen a temperatura ambiente utilizando la nitrogenasa. Las computadoras clásicas actuales no pueden simular la nitrogenasa porque las interacciones de los electrones son demasiado complejas. Una computadora cuántica podría modelarlo sin esfuerzo, lo que llevaría a la producción localizada de fertilizantes verdes.
• Química de las baterías: El diseño de nuevos electrolitos para baterías de litio-metal implica la simulación de enlaces moleculares complejos. Los chips de clase Willow podrían encontrar materiales que dupliquen la autonomía de los vehículos eléctricos.

El resultado final

El chip Willow de Google no extraerá todos los Bitcoin mañana ni leerá sus correos electrónicos cifrados. Si lo juzgas por su capacidad para ejecutar Excel o Doom, es inútil.

Pero la tecnología rara vez se juzga por lo que puede hacer el prototipo; se juzga por el camino que abre.

Durante 40 años, la computación cuántica ha sido una disciplina teórica. Eran matemáticas en una pizarra, discutiendo sobre lo que podría suceder si los investigadores pudieran controlar la naturaleza a escala atómica. Willow es la prueba de que la pizarra tenía razón. La puerta al reino cuántico ya no está simplemente abierta; ha sido abierto de una patada. La única pregunta ahora es qué tan rápido la industria podrá superarlo.

Fuentes (2)

• blog.google Google Quantum AI Blog
• nature.com Quantum Error Correction