Microsoft, en colaboración con la empresa Quantinuum, anunció que ha alcanzado un nuevo pico en la corrección de errores cuánticos, sacudiendo las perspectivas para el uso de la computación cuántica en la industria.“Las computadoras cuánticas existentes están todas en la primera etapa de la computación cuántica, que es el nivel fundamental, también conocido como cuántica de escala intermedia ruidosa (NISQ)”, dijo Krysta Svore, vicepresidenta de desarrollo cuántico avanzado en Microsoft Corp. en Redmond, Washington. “La importancia de este anuncio es que estamos llegando a la etapa dos, que es la computación cuántica resiliente”, agregó. “Esto significa que la computación cuántica comercialmente viable, que requiere al menos 1000 cúbits confiables y lógicos, está ahora a solo unos años de distancia, no a unas pocas décadas”, continuó. La computación cuántica científicamente útil, que requiere solo 100 cúbits, está aún más cerca.
Soluciones cuánticas de hardware vs. soluciones de software
La computación cuántica utilizable se enfrenta a dos obstáculos principales: la cantidad de bits cuánticos, o cúbits, que tiene una sola computadora, y la confiabilidad de esos cúbits. Esto es más o menos lo que los fabricantes de computadoras tradicionales todavía están tratando de hacer, tratando de meter más puertas en un solo chip y hacer que funcionen de manera confiable. En la computación cuántica, la necesidad de más cúbits y cúbits más confiables está relacionada. La mayoría de las empresas que trabajan en computadoras cuánticas abordan el problema de la confiabilidad utilizando múltiples cúbits físicos para realizar el mismo cálculo. En efecto, pueden convertir dos cúbits físicos, o mil cúbits físicos, en un cúbit lógico. Eso no es un error tipográfico. Los cúbits son tan propensos a errores que se necesitarían mil o más de ellos para obtener un cúbit lógico confiable. Dado que cada cúbit adicional es muy difícil de construir, esta alta tasa de error tiene un enorme impacto en el progreso.
Las empresas de computación cuántica están tratando de resolver este doble problema tanto a nivel físico como de software. En el lado del hardware, buscan evitar que se produzcan errores reduciendo las fluctuaciones de temperatura y las vibraciones, o diseñando cúbits para que sean más estables desde el principio. Otro enfoque es incorporar la corrección de errores físicos. A principios de este año, tres proveedores anunciaron avances en esta área. Por ejemplo, en lugar de tener cúbits de respaldo, utilizaron fotones de respaldo, específicamente, fotos de rango de microondas que rebotan dentro de esferas de espejo huecas, o rebotan dentro de circuitos, todos vinculados a un nivel cuántico con el cúbit que están respaldando. El socio de Microsoft, Quantinuum, afirma que su tasa de error físico es menor que la de otros ordenadores y que tiene el circuito tolerante a fallos más pequeño conocido. El pasado mes de septiembre, la empresa anunció un avance en la realización de cálculos matemáticos en un sistema tolerante a fallos con tres cúbits lógicos.
Otros equipos están trabajando en el tema.
Por otra parte, el 5 de marzo, la compañía anunció que también había resuelto el problema del cableado. En los ordenadores cuánticos, cada cúbit requiere una gran cantidad de señales de control, lo que hace cada vez más difícil añadir cúbits adicionales a un sistema. Quantinuum afirmó que fue capaz de reducir el cableado a una entrada digital por cúbit, más una cantidad fija de señales analógicas, poniendo finalmente la escalabilidad al alcance de la mano. El avance de Microsoft, dijo Svore, se basó en esta ventaja del hardware. Además de los nuevos algoritmos de corrección de errores, el último nivel de fiabilidad se logró mediante "la colaboración entre las implementaciones de hardware y software, y el uso de cúbits físicos con alta fidelidad y conectividad", dijo. A través de esta colaboración, el número total de cúbits físicos necesarios para crear un cúbit lógico se redujo en un factor de hasta 800. Este enfoque basado en software para la corrección de errores ha sido denominado "Código Carbon" por los dos socios.
Microsoft y Quantinuum no son los primeros en hacer corrección de errores de software para computadoras cuánticas. Varias compañías, incluidas IBM y Alice & Bob, han estado utilizando códigos de verificación de paridad de baja densidad, que existen desde la década de 1990, principalmente para mejorar las comunicaciones. "El código Carbon es diferente", dijo Svore, y agregó que "el código Carbon no se considera un código LDPC de paridad de baja densidad". Técnicamente, el código Carbon es un código estabilizador Calderbank-Shor-Steane, que es un código de corrección de errores cuánticos. "Codifica dos cúbits lógicos de 12 cúbits físicos", dijo Svore. "Además, el anuncio demuestra un ciclo completo de corrección de errores, no solo partes del ciclo, como fue el caso en experimentos anteriores", también explicó Sam Lucero, analista cuántico jefe de Omdia. "Las computadoras cuánticas tolerantes a fallas no son solo una posibilidad teórica, sino que tienen una gran posibilidad de hacerse realidad en el mundo real", dijo.
¿Cuáles son las perspectivas de la computación cuántica?
Algunos expertos en computación cuántica dudan de que el avance sea tan significativo como sugieren Microsoft y Quantinuum. “Microsoft mismo dice que necesita mejorar la fidelidad en al menos tres órdenes de magnitud”, dijo Lucero de Omdia, y agregó que “los experimentos solo han demostrado puertas de Clifford”. Las puertas de Clifford solo admiten ciertos tipos de cálculos. Eso significa que los cúbits lógicos que Microsoft ha demostrado no son suficientes para una computadora de propósito general completa. “En algún momento habrá que agregar funcionalidad más allá de las puertas de Clifford. Y cuatro cúbits lógicos no se acercan a los 100 cúbits necesarios para el valor científico”, agregó. En el lado positivo, eso significa que los métodos de cifrado actuales siguen siendo seguros. “Parece que se necesitarían alrededor de 2000 cúbits lógicos para ejecutar el algoritmo de Shor de una manera que rompa el cifrado AES de 256 bits”, dijo Lucero.
Según David Shaw, analista jefe de Global Quantum Intelligence, Microsoft también puede haber estado seleccionando los resultados que reciben más atención. “Se están permitiendo descartar las pruebas que no funcionaron”, dijo. “Realmente hay que entrecerrar los ojos para ver que ha habido una mejora en los errores. Es impresionante, pero hay que entrecerrar los ojos”. En otras palabras, la computación cuántica aún no es como el Sputnik. Hemos visto el incendio de un motor de cohete. Una prueba de combustión estática, en lugar de un lanzamiento orbital. Todavía no está claro cómo se podría utilizar el enfoque de Microsoft de manera escalable para eliminar errores, o cómo se aplicaría a las puertas cuánticas universales. “Sí, es un gran paso”, reconoció Shaw. “El debate en el campo en este momento es cuándo podremos construir sistemas tolerantes a fallas a escala. Realmente no cambia el debate”. Una máquina lógica de cuatro cúbits tendría interés científico, y tal vez aplicaciones de nicho, pero es poco probable que se trate de aplicaciones de propósito general y ampliamente utilizables”.
Aún queda mucho trabajo por hacer
Otras empresas han construido ordenadores cuánticos con más cúbits, pero la computación cuántica es tan nueva hoy en día que hay muchos enfoques radicalmente diferentes para construir los cúbits físicos. Según Baptiste Royer, profesor de la Universidad de Sherbrooke, el enfoque de Microsoft se basa en gran medida en el hardware de computación cuántica de Quantinuum, por lo que es poco probable que otras empresas se lancen a la misma tecnología. "Dudo que otras empresas se lancen a esta tecnología, pero podrían inspirarse en la teoría subyacente", dijo. Royer dijo que el último anuncio refleja una serie de pequeñas mejoras: además de los códigos de corrección de errores, también ha habido mejoras en el hardware, la calibración, la fabricación, la precisión y los nuevos protocolos de medición. Como resultado, no hay beneficios significativos e inmediatos para las empresas que buscan computación cuántica práctica, especialmente con el menor número de cúbits lógicos. "Los investigadores interesados en la corrección de errores ahora tienen un campo de juego para probar", continuó Royer. "Para los investigadores, esto es emocionante. Para el público en general, no veo un impacto práctico inmediato, pero acercará la computación cuántica y reducirá el tiempo necesario para llegar a aplicaciones prácticas”.
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