Nuestro algoritmo Quantum Echoes es un gran paso hacia las aplicaciones reales de la computación cuántica

Nota del editor: Hoy anunciamos una investigación que demuestra, por primera vez en la historia, que un ordenador cuántico puede ejecutar con éxito un algoritmo verificable en hardware, superando incluso a los superordenadores clásicos más rápidos (13.000 veces más rápido). Puede calcular la estructura de una molécula y allana el camino hacia aplicaciones en el mundo real. El avance de hoy se basa en décadas de trabajo y seis años de grandes avances. En el 2019, demostramos que un ordenador cuántico podía resolver un problema que llevaría miles de años al superordenador clásico más rápido. A finales del año pasado (2024), nuestro nuevo chip cuántico Willow demostró cómo reducir drásticamente los errores, resolviendo un problema importante que había desafiado a los científicos durante casi 30 años. Este avance nos acerca mucho más a los ordenadores cuánticos que pueden impulsar grandes descubrimientos en áreas como la medicina y la ciencia de los materiales.

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Imagina que estás buscando un barco perdido en el fondo del océano. La tecnología de sonar podría darte una forma borrosa y decirte: "Hay un naufragio ahí abajo". Pero ¿y si pudieras no solo encontrar el barco, sino también leer la placa con su nombre en el casco?

Ese es el tipo de precisión sin precedentes que acabamos de conseguir con nuestro chip cuántico Willow. Hoy anunciamos un gran avance algorítmico que marca un paso significativo hacia una primera aplicación en el mundo real. Acabamos de publicar en Nature la primera demostración de una ventaja cuántica verificable ejecutando el algoritmo de correlacionador temporal desordenado (OTOC), al que llamamos "Quantum Echoes".

Quantum Echoes es útil para aprender la estructura de los sistemas en la naturaleza, desde las moléculas hasta los imanes y los agujeros negros. Hemos demostrado que se ejecuta 13.000 veces más rápido en Willow que el mejor algoritmo clásico en uno de los superordenadores más rápidos del mundo.

En un experimento independiente de prueba de concepto, Quantum computation of molecular geometry via many-body nuclear spin echoes (que se publicará en arXiv más tarde), hemos demostrado cómo nuestra nueva técnica, una "regla molecular", puede medir distancias más largas que los métodos actuales, utilizando datos de resonancia magnética nuclear (RMN) para obtener más información sobre la estructura química.

El algoritmo Quantum Echoes, una ventaja cuántica verificable

Es la primera vez en la historia que un ordenador cuántico ha ejecutado con éxito un algoritmo verificable que supera la capacidad de los superordenadores. La verificabilidad cuántica significa que el resultado se puede repetir en nuestro ordenador cuántico (o en cualquier otro del mismo calibre) para obtener la misma respuesta y confirmar el resultado. Esta computación repetible y más allá de la clásica es la base de la verificación escalable, lo que hace que los ordenadores cuánticos estén más cerca de convertirse en herramientas para aplicaciones prácticas.

Nuestra nueva técnica funciona como un eco muy avanzado. Enviamos una señal cuidadosamente elaborada a nuestro sistema cuántico (qubits en el chip Willow) y, a continuación, invertimos con precisión su evolución para escuchar el "eco" que vuelve.

Este eco cuántico es especial porque se amplifica mediante una interferencia constructiva, un fenómeno en el que las ondas cuánticas se suman para hacerse más fuertes. Esto hace que nuestra medición sea increíblemente sensible.

Esta implementación del algoritmo Quantum Echoes es posible gracias a los avances en hardware cuántico de nuestro chip Willow. El año pasado, Willow demostró su potencia con nuestra prueba de muestreo de circuitos aleatorios, un test diseñado para medir la complejidad máxima de los estados cuánticos. El algoritmo Quantum Echoes representa un nuevo tipo de desafío porque modela un experimento físico. Esto significa que este algoritmo no solo evalúa la complejidad, sino también la precisión del cálculo final. Por eso lo llamamos "verificable cuánticamente", lo que significa que el resultado se puede comparar y verificar con otra computadora cuántica de calidad similar. Para ofrecer precisión y complejidad, el hardware debe tener dos características clave: tasas de error extremadamente bajas y operaciones de alta velocidad.

Hacia la aplicación en el mundo real

Los ordenadores cuánticos serán fundamentales para modelizar fenómenos de la mecánica cuántica, como las interacciones de átomos y partículas, y la estructura (o forma) de las moléculas. Una de las herramientas que usan los científicos para entender la estructura química es la resonancia magnética nuclear (RMN), la misma ciencia que hay detrás de la tecnología de la resonancia magnética. La RMN actúa como un microscopio molecular lo suficientemente potente como para permitirnos ver la posición relativa de los átomos, lo que nos ayuda a comprender la estructura de una molécula. Modelar la forma y la dinámica de las moléculas es fundamental en química, biología y ciencia de los materiales, y los avances que nos ayudan a hacerlo mejor sustentan el progreso en campos que van desde la biotecnología hasta la energía solar y la fusión nuclear.

En un experimento de prueba de concepto en colaboración con la Universidad de California en Berkeley, ejecutamos el algoritmo Quantum Echoes en nuestro chip Willow para estudiar dos moléculas, una con 15 átomos y otra con 28, y así verificar este enfoque. Los resultados de nuestro ordenador cuántico coincidieron con los de la RMN tradicional y revelaron información que normalmente no se puede obtener con esta técnica, lo que supone una validación crucial de nuestro enfoque.

Al igual que el telescopio y el microscopio abrieron nuevos mundos que no se habían visto antes, este experimento es un paso hacia un "cuantoscopio" capaz de medir fenómenos naturales que antes no se podían observar. La RMN mejorada con computación cuántica podría convertirse en una herramienta muy útil para el descubrimiento de fármacos, ya que ayudaría a determinar cómo se unen los posibles medicamentos a sus objetivos. También podría usarse en la ciencia de los materiales para caracterizar la estructura molecular de nuevos materiales, como polímeros, componentes de baterías o incluso los materiales que componen nuestros bits cuánticos (cúbits).

La resonancia magnética nuclear (RMN), la prima espectroscópica de la resonancia magnética, revela la estructura molecular detectando los pequeños "spins" magnéticos en los centros de los átomos. El algoritmo Quantum Echoes de Google muestra el potencial de los ordenadores cuánticos para modelar y desentrañar de forma eficiente las complejas interacciones de estos espines, posiblemente incluso a largas distancias. A medida que la computación cuántica siga madurando, estos enfoques podrían mejorar la espectroscopia de RMN, lo que se sumaría a su potente conjunto de herramientas para el descubrimiento de fármacos y el diseño de materiales avanzados.

-Ashok Ajoy, colaborador de Google Quantum AI y profesor adjunto de Química en la Universidad de California en Berkeley

Pasos siguientes

Esta demostración de la primera ventaja cuántica verificable con nuestro algoritmo Quantum Echoes marca un paso significativo hacia las primeras aplicaciones reales de la computación cuántica.

A medida que nos acerquemos a un ordenador cuántico a gran escala y con corrección de errores, esperamos que se inventen muchas más aplicaciones útiles en el mundo real. Ahora, nos centramos en alcanzar el hito 3 de nuestra hoja de ruta de hardware cuántico: un cúbito lógico de larga duración.