Google ha afirmado que su procesador cuántico Willow ha logrado la primera ventaja cuántica “verificable”: un punto de referencia tecnológico que significa que una computadora cuántica puede superar a una clásica en la práctica.
“Este avance es un paso significativo hacia la primera aplicación de la computación cuántica en el mundo real, y estamos entusiasmados de ver adónde conduce”, escribió el CEO de Google, Sundar Pichai, en X.com.
El anuncio estuvo acompañado de un documento de acceso abierto en Naturaleza en el que el equipo de Google Quantum AI y sus colaboradores describieron su configuración y sus hallazgos. En el centro del esfuerzo se encuentra un tipo especial de medición cuántica llamada correlador de orden fuera de tiempo (OTOC). La medición muestra cómo la información se difunde y se mezcla dentro de un sistema cuántico. Es como pasar una película de un sistema hacia adelante y hacia atrás para ver cuánto “recuerda” el estado final el comienzo. Si recuerda mucho, el sistema está ordenado; si se olvida rápidamente, es caótico.
“Willow ejecutó el algoritmo, al que hemos llamado Quantum Echoes, 13.000 veces más rápido que el mejor algoritmo clásico en una de las supercomputadoras más rápidas del mundo”, escribió Pichai en su publicación en X.com. “Este nuevo algoritmo puede explicar las interacciones entre los átomos de una molécula mediante resonancia magnética nuclear, allanando el camino hacia posibles usos futuros en el descubrimiento de fármacos y la ciencia de materiales”.
“Y el resultado es verificable, lo que significa que su resultado puede ser repetido por otras computadoras cuánticas o confirmado mediante experimentos”.
Espada de doble filo
Imagínate coger una nueva baraja de cartas, perfectamente ordenada por palo y número. Lo barajas una vez. El orden está alterado pero probablemente puedas resolverlo nuevamente. Ahora, imagina que lo barajas cien veces. Las cartas ahora se encuentran en un estado caótico y completamente aleatorio. Este proceso se parece mucho a lo que sucede con la información en sistemas cuánticos complejos.
Un sistema cuántico está formado por muchas partículas pequeñas, como electrones o fotones, que interactúan entre sí según un conjunto específico de reglas. A medida que interactúan, se entrelazan, una conexión cuántica especial donde el destino de una partícula se vincula instantáneamente con el destino de otra, sin importar qué tan lejos estén.
En un sistema con muchas partículas, esta red de entrelazamiento rápidamente se vuelve increíblemente compleja. Cualquier dato con el que se empieza (por ejemplo, el estado de una sola partícula) se dispersa y se mezcla por todo el sistema. Después de poco tiempo, el sistema se vuelve lo que los científicos llaman ergódico o caótico. Esto crea un gran problema para los físicos que quieren estudiar estos sistemas. Si intenta medir una propiedad del sistema, el resultado suele ser sólo ruido. La información original está tan confusa que ya no se pueden ver los detalles del proceso subyacente. Es como intentar entender las reglas de un juego de cartas mirando una baraja barajada mil veces. Lo único que puedes decir es que es un desastre.
Este efecto de confusión hace que sea casi imposible aprender acerca de las reglas fundamentales que gobiernan el comportamiento de un sistema cuántico. Las mismas cosas que hacen que los sistemas cuánticos sean tan poderosos e interesantes (su complejidad y entrelazamiento) también los hacen increíblemente difíciles de entender. Por lo tanto, el desafío central para los científicos es encontrar una manera de mirar más allá del caos, de alguna manera “descifrar” la información y vislumbrar las reglas que dirigen el espectáculo. Éste ha sido un objetivo importante de la física cuántica: es la clave tanto para comprender el universo en su nivel más fundamental como para construir poderosas computadoras cuánticas.
Para resolver esto, el equipo de Google Quantum AI and Collaborators ha estado explorando una nueva técnica: OTOC. La idea básica es dejar que la información cuántica se distribuya y se desordene, luego darle al sistema una “patada” precisa y, finalmente, ejecutar todo el proceso hacia atrás. Luego, la información viaja de regreso al lugar donde comenzó. Debido a la patada que recibió en el medio, la información devuelta es ligeramente diferente de cómo comenzó. Al comparar este “eco” con el original, los científicos pueden aprender mucho sobre el viaje que tomó la información y las reglas que la guiaron.
Los investigadores creían que creando ecos aún más complejos, es decir, ejecutando el proceso de inversión del tiempo varias veces, podrían revelar conexiones cuánticas ocultas que ningún otro método podría revelar.
Construyendo una ‘máquina del tiempo’ cuántica
Para probar su idea, los científicos utilizaron Willow de Google, un potente procesador cuántico superconductor. Este dispositivo les permitió controlar con precisión las interacciones de muchos bits cuánticos, o qubits, que son los componentes básicos de una computadora cuántica. Su experimento principal fue construir un sistema cuántico altamente caótico y utilizar el truco del eco para estudiarlo. La medición específica que utilizaron se llama OTOC de segundo orden, que implicaba dejar que la información hiciera dos “viajes de ida y vuelta” completos en el tiempo: hacia adelante, hacia atrás, hacia adelante y nuevamente hacia atrás.
La parte más importante de su método fue una prueba para demostrar que lo que estaban viendo era un verdadero fenómeno cuántico llamado interferencia.
En el mundo cuántico, las partículas se comportan como ondas. A veces, estas ondas pueden sumarse para crear una onda más grande (interferencia constructiva) y, a veces, pueden anularse entre sí (interferencia destructiva). Para ver si esto estaba sucediendo, a mitad del experimento, los investigadores insertaron operaciones aleatorias que efectivamente sacudieron la fase de cada onda cuántica. Si el resultado final que estaban midiendo fuera simplemente una simple suma de probabilidades, como sumar números, estas sacudidas aleatorias se cancelarían y no tendrían ningún efecto. Pero si el resultado dependiera de que las ondas se sumaran de una manera específica y coordinada, entonces sacudirlas arruinaría por completo el patrón final.
Esta prueba fue diseñada para demostrar que la señal OTOC se estaba construyendo a partir de interferencia cuántica.
Ver una señal oculta
Según los resultados del equipo publicados en Naturalezael experimento fue un éxito. Primero, los investigadores confirmaron que su truco de eco funcionó como se esperaba. Descubrieron que la señal OTOC seguía siendo fuerte y llena de información sobre las reglas específicas del sistema mucho después de que las mediciones estándar se hubieran convertido en ruido sin sentido. Estaba claro que la OTOC estaba “descifrando” con éxito la información del caos.
El mayor descubrimiento, sin embargo, provino de la prueba de interferencia. Cuando el equipo agitó las ondas cuánticas a mitad del proceso, la medición final del OTOC de segundo orden cambió dramáticamente. Esta fue una prueba concluyente de que la señal era el resultado de una interferencia constructiva. Los diferentes caminos que tomó la información cuántica durante su viaje no se sumaban simplemente al azar: se combinaban de una manera cuántica precisa para crear una señal mucho más fuerte.
Fue como descubrir que muchas ondas diferentes en un estanque se juntan en un lugar exacto al mismo tiempo para crear una única ola sorprendentemente grande.
Esta gran onda era una capa oculta de realidad cuántica, una firma de cómo los componentes básicos del sistema interactuaban a largas distancias en el tiempo y el espacio. Los investigadores no sólo lograron ver esta señal oculta, sino que demostraron que era lo principal que estaban midiendo, una observación directa de un complejo efecto cuántico de muchos cuerpos que es imposible de ver sin su técnica especial de inversión del tiempo.
Ventaja cuántica
El resultado anunciado tiene importantes consecuencias para el futuro de la computación cuántica. La primera es que, si se valida, trazará una línea más clara entre lo que pueden hacer las computadoras normales y lo que pueden hacer las computadoras cuánticas. La misma interferencia cuántica que hace que el OTOC sea una medición tan poderosa también hace que sea increíblemente difícil de calcular para una computadora clásica.
Para una computadora normal, intentar simular este proceso sería un desastre computacional. Tendrá que realizar un seguimiento de billones de ondas que se suman y anulan, donde incluso un pequeño error en cualquiera de ellas puede arruinar todo el cálculo. Los investigadores estimaron que para simular clásicamente su experimento más grande con 65 qubits, una de las supercomputadoras más rápidas del mundo necesitaría más de tres años. Su procesador cuántico obtuvo la respuesta en apenas unas horas.
El estudio también tiene aplicaciones prácticas. El equipo mostró cómo su prueba podría usarse para un proceso llamado aprendizaje hamiltoniano. Dado que la señal OTOC es como una huella digital única del libro de reglas de un sistema cuántico (es decir, su hamiltoniano), se puede utilizar para determinar cuáles son esas reglas. Al medir el OTOC de un sistema físico real y compararlo con una simulación ejecutada en su computadora cuántica, los científicos pudieron ajustar las reglas en su simulación hasta que las huellas dactilares coincidieran perfectamente.
De este modo, el equipo pudo “aprender” un detalle oculto sobre las propiedades fundamentales del sistema. Esto podría permitir a los investigadores descubrir las propiedades de nuevos materiales o comprender reacciones químicas complejas de una manera que no había sido posible antes.
