Google Willow y los «estados mágicos»

El 15 de octubre, el equipo de Google Quantum AI contó en el blog de Google que en el procesador Google Willow funcionó por primera vez en la práctica un método llamado magic state cultivation, es decir, el «cultivo» de estados mágicos. Los resultados se publicaron en la revista Science.

¿Qué demostró exactamente Google Willow?

Según la entrada de Emma Rosenfeld y Craig Gidney, de Google Quantum AI, el método logró:

1. unas 40x menos errores que los estados mágicos preparados sin «cultivo»,
2. estados T (uno de los tipos de estados mágicos) con una fidelidad lógica del 99,99 %, lo que según el equipo es un récord,
3. los primeros pasos hacia la arquitectura objetivo de Google: el estado se transfirió de un código de color de distancia 3 a un código de superficie de distancia 5.

Según Decrypt, el experimento usó como máximo 54 de los 105 cúbits de Willow.

¿Y qué son esos «estados mágicos»?

Un ordenador cuántico con corrección de errores ejecuta bastante barato una parte de las operaciones fáciles, pero para la computación universal también necesita las «difíciles». Una forma de conseguirlas es preparar de antemano unos estados auxiliares especiales, que son precisamente los estados mágicos. El nombre viene de que son justo ellos los que permiten ir más allá de lo que se puede simular en un ordenador normal.

El problema es que son caros y de un solo uso: cada estado mágico solo se puede consumir una vez. Según estimaciones citadas por Google, producirlos podría absorber hasta el 95 % de la capacidad de un ordenador cuántico. El equipo escribe que este cuello de botella ya se predijo en 2004 y que desde hace unos 20 años se busca la forma de ensancharlo.

¿Cómo funciona el «cultivo» de estados mágicos?

La teoría la describieron en 2024 Craig Gidney, Noah Shutty y Cody Jones en el artículo «Magic state cultivation: growing T states as cheap as CNOT gates». Funciona como un filtro:

1. en una pequeña zona del chip se introduce un estado ruidoso,
2. una serie de mediciones coordinadas lo comprueba en busca de errores y descarta los intentos fallidos,
3. el estado que sobrevive se «cultiva», es decir, se amplía hasta una forma muy limpia que puede trasladarse a un código más grande.

Curiosamente, el camino de la teoría al hardware no fue sencillo. Según Google, los primeros datos del experimento de Emma Rosenfeld «parecían contradecir las leyes de la física». Tras meses de trabajo, resultó que la culpa era de una suposición errónea en un método de medición que el equipo usaba de forma habitual. ScienceAlert cuenta que el problema lo resolvió una técnica nueva, la llamada «kickback tomography».

¿Hay alguna trampa?

El filtro tiene un coste. En las ejecuciones más estrictas solo quedaba alrededor del 8 % de los intentos; el resto se descartaba. Además, trasladar el estado a un código más grande añadía nuevos errores, a los que el equipo todavía tiene que enfrentarse.

La propia Google señala que hay que demostrar el método a mayor escala antes de que sea útil en cálculos prácticos. Decrypt recuerda que para romper RSA-2048 harían falta estados mágicos con un error del orden de 1 entre 10 000 millones, es decir, aproximadamente un millón de veces más limpios que en este experimento. Así que el «Q-day» todavía queda lejos.

¿Qué cambia esto para la criptografía?

Por ahora, poco. Alex Pruden, de Project Eleven, dijo a The Block que el resultado no adelanta necesariamente las previsiones sobre el Q-day, porque las estimaciones de recursos anteriores ya daban por hecha esta técnica. En su opinión, el experimento más bien confirma esas suposiciones, así que las previsiones actuales ganan credibilidad. Nic Carter, de Castle Island Ventures, consideró que «no hay una amenaza inmediata».

Es otro gran resultado del mundo cuántico en los últimos días. Hace poco escribí sobre cómo Claude diseñó circuitos cuánticos con hasta 17x menos puertas. Mejores circuitos y estados mágicos más baratos son dos caras del mismo problema: cómo hacer caber cálculos útiles en un hardware limitado.

FAQ

¿Qué es Google Willow?

Es el procesador cuántico de Google Quantum AI. En el experimento de cultivo de estados mágicos se usaron como máximo 54 de sus 105 cúbits.

¿Puede Google Willow romper ya el cifrado?

No. Para romper RSA-2048 harían falta estados mágicos aproximadamente un millón de veces más limpios que en este experimento y una máquina mucho más grande.

¿Dónde puedo leer el artículo sobre estados mágicos?

Los resultados del experimento se publicaron en Science, y la teoría de 2024 está en arXiv.