La división de computación cuántica de Google ha informado que su procesador Willow logró un hito computacional que las supercomputadoras clásicas necesitarían aproximadamente 10.000 años para replicar: completar la tarea en menos de cuatro minutos. El resultado, publicado enNaturaleza, representa un avance significativo más allá de la demostración de supremacía cuántica de Google de 2019 y, lo que es más importante, demuestra una propiedad que los investigadores han estado persiguiendo durante dos décadas: la corrección de errores que mejora a medida que el sistema escala.

El anuncio llegó con el peso de una genuina importancia científica. A diferencia del resultado de 2019, que fue inmediatamente impugnado por IBM, quien argumentó que sus supercomputadoras clásicas podrían resolver el mismo problema en días, el resultado de Willow ha sido examinado de forma independiente y el margen de supremacía es de órdenes de magnitud mayor. La respuesta de la comunidad científica ha sido esta vez notablemente menos escéptica.

Lo que realmente se resolvió

El problema específico –una variante del muestreo aleatorio de circuitos– no es directamente útil en sí mismo. Implica tomar muestras de la distribución de salida de un circuito cuántico aleatorio, una tarea computacionalmente difícil para las computadoras clásicas pero natural para las cuánticas. Se eligió el problema precisamente porque es bien comprendido teóricamente, lo que permite verificar el resultado cuántico y calcular cuánto tiempo tardaría un ordenador clásico en replicarlo.

La cifra de 10.000 años se refiere al algoritmo clásico más conocido que se ejecuta en la supercomputadora más poderosa del mundo. No se trata de afirmar que ningún algoritmo clásico pueda resolver el problema más rápidamente: las afirmaciones de supremacía cuántica siempre son relativas a los métodos clásicos más conocidos, y los algoritmos clásicos mejoran con el tiempo. Pero el margen es lo suficientemente grande como para cerrarlo clásicamente requeriría un avance de magnitud comparable al propio avance cuántico.

Más significativamente, Willow demuestra una propiedad clave que ha eludido a las computadoras cuánticas: la corrección de errores que mejora a medida que el sistema escala. Los procesadores cuánticos anteriores se volvieron menos confiables a medida que se agregaban más qubits: los errores se acumulaban más rápido de lo que podían corregirse. Willow muestra la tendencia opuesta. A medida que Google añadió más qubits al código de corrección de errores, la tasa de errores lógicos disminuyó exponencialmente. Este es el comportamiento que predice la teoría de la corrección de errores cuánticos, pero que ningún sistema físico había demostrado previamente de manera convincente.

Por qué la corrección de errores es el verdadero avance

Para comprender por qué esto es importante, es útil comprender el desafío fundamental de la computación cuántica. Los bits cuánticos (qubits) son extraordinariamente sensibles a las perturbaciones ambientales: el calor, las interferencias electromagnéticas e incluso los rayos cósmicos pueden provocar errores. Las computadoras clásicas abordan los errores mediante redundancia y códigos de corrección de errores, pero aplicar el mismo enfoque a las computadoras cuánticas es mucho más difícil porque los estados cuánticos no se pueden copiar (el teorema de no clonación) y medir un estado cuántico lo destruye.

La corrección de errores cuánticos funciona codificando un único qubit lógico en muchos qubits físicos, de una manera que permite detectar y corregir errores sin medir el estado lógico directamente. La teoría se comprende desde la década de 1990, pero implementarla en la práctica requiere qubits físicos con tasas de error por debajo de un umbral, y mantener ese umbral a medida que el sistema escala ha resultado extremadamente difícil.

La demostración de Willow de que las tasas de error disminuyen a medida que el sistema escala es la primera evidencia convincente de que un sistema cuántico físico puede operar por debajo del umbral de corrección de errores a escala. Esto no significa que la computación cuántica tolerante a fallas sea inminente (las tasas de error aún son demasiado altas para la mayoría de las aplicaciones prácticas), pero demuestra que el camino hacia la tolerancia a fallas está abierto. La cuestión ya no es si la corrección escalable de errores cuánticos es físicamente posible, sino cuánto tiempo llevará alcanzar las tasas de error necesarias para un cálculo útil.

Implicaciones para la criptografía

La comunidad de la criptografía ha estado observando de cerca el progreso de la computación cuántica, porque computadoras cuánticas suficientemente potentes podrían romper el cifrado RSA y de curva elíptica, los cimientos de la mayor parte de la seguridad en Internet. El resultado de Willow ha reavivado esa conversación, aunque la amenaza inmediata es menos grave de lo que sugieren algunos titulares.

"Aún no hemos llegado a ese punto", afirma el Dr. Michele Mosca del Instituto de Computación Cuántica. "Pero el resultado de hoy es una señal clara de que el cronograma para la computación cuántica criptográficamente relevante debe tomarse en serio. Las organizaciones que no han comenzado a migrar a la criptografía poscuántica deberían comenzar ahora".

Romper RSA-2048, el estándar de cifrado más común, requeriría una computadora cuántica tolerante a fallas con millones de qubits lógicos. Willow tiene 105 qubits físicos. La brecha es enorme. Pero la demostración de la corrección de errores escalable significa que la brecha es ahora una cuestión de ingeniería más que de física fundamental. Los estándares de criptografía poscuántica del NIST, finalizados en 2024, proporcionan el camino de migración que las organizaciones deben seguir, y el resultado de Willow es un argumento convincente a favor de la urgencia.

Los sistemas más vulnerables son aquellos con una vida útil de datos prolongada. Los datos cifrados interceptados hoy podrían almacenarse y descifrarse más tarde, una vez que las computadoras cuánticas sean lo suficientemente potentes. Es casi seguro que las agencias de inteligencia y los Estados-nación adversarios estén haciendo exactamente esto: una estrategia conocida como "cosechar ahora, descifrar después". Para los datos que deben permanecer confidenciales durante 10 años o más, la migración a la criptografía poscuántica no es opcional.

Descubrimiento de fármacos y simulación molecular

La aplicación más prometedora a corto plazo es la simulación molecular. Las computadoras cuánticas son naturalmente adecuadas para modelar sistemas mecánicos cuánticos, incluido el comportamiento de las moléculas. La simulación molecular precisa podría acelerar drásticamente el descubrimiento de fármacos al permitir a los investigadores probar computacionalmente candidatos a fármacos potenciales antes de sintetizar una sola molécula.

Las computadoras clásicas actuales pueden simular con precisión moléculas de hasta unos 50 átomos. Más allá de eso, la complejidad computacional crece exponencialmente y las aproximaciones se vuelven necesarias. Muchas de las moléculas biológicas más importantes (proteínas, enzimas, objetivos farmacológicos) son mucho más grandes que este límite. Una computadora cuántica tolerante a fallas podría simular estas moléculas exactamente, identificando potencialmente candidatos a fármacos que los métodos clásicos pasarían por alto por completo.

El cronograma de esta aplicación es más largo que el de la amenaza criptográfica. La simulación molecular requiere computadoras cuánticas tolerantes a fallas con miles de qubits lógicos, algo que todavía faltan años para lograrlo. Pero empresas farmacéuticas como Roche, Pfizer y Merck ya están invirtiendo en la investigación de la computación cuántica, posicionándose para explotar la tecnología cuando madure.

Ciencia de materiales y aplicaciones climáticas

Más allá del descubrimiento de fármacos, la simulación cuántica podría transformar la ciencia de los materiales. Diseñar mejores catalizadores para procesos químicos industriales (incluido el proceso Haber-Bosch que produce fertilizantes, que representa aproximadamente el 2% del consumo mundial de energía) podría tener un enorme impacto económico y ambiental. El diseño de mejores materiales para células solares, mejores químicas de baterías y mejores superconductores son problemas que la simulación cuántica podría acelerar.

Las implicaciones climáticas son potencialmente significativas. Muchas de las tecnologías de energía limpia más importantes (células solares de próxima generación, superconductores a temperatura ambiente, mejores electrolizadores para la producción de hidrógeno verde) están limitadas por nuestra incapacidad para diseñar materiales con precisamente las propiedades mecánicas cuánticas adecuadas. Las computadoras cuánticas podrían eliminar esa limitación.

El panorama competitivo

Google no está solo en la carrera por construir computadoras cuánticas útiles. IBM tiene su propia hoja de ruta, que apunta a 100.000 qubits físicos para 2033. Microsoft está siguiendo un enfoque fundamentalmente diferente utilizando qubits topológicos, que en teoría son más resistentes a los errores. IonQ y Quantinuum están construyendo computadoras cuánticas de iones atrapados, que tienen tasas de error más bajas que los qubits superconductores pero son más difíciles de escalar. El programa de computación cuántica de China, centrado en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ha demostrado sus propios resultados de supremacía.

La diversidad de enfoques refleja una genuina incertidumbre sobre qué plataforma física resultará en última instancia más práctica para la computación cuántica tolerante a fallas. Cada enfoque tiene diferentes compensaciones entre la calidad del qubit, la escalabilidad y las condiciones operativas. El campo aún es lo suficientemente temprano como para que la plataforma ganadora no sea obvia.

What Comes Next

La hoja de ruta de Google exige una computadora cuántica tolerante a fallos (una capaz de ejecutar algoritmos prácticos con tasas de error lo suficientemente bajas para aplicaciones reales) para finales de la década. Que ese cronograma se mantenga dependerá del progreso continuo en la corrección de errores, la calidad de los qubits y los sistemas de control clásicos que administran los procesadores cuánticos.

El resultado de Willow es un verdadero hito, no un anuncio de marketing. Demuestra que la física fundamental de la corrección de errores cuánticos escalable funciona como predice la teoría. Los desafíos de ingeniería que quedan son formidables, pero son desafíos de ingeniería, del tipo que rinde frutos con una inversión y un esfuerzo sostenidos. La era de la computación cuántica prácticamente útil está más cerca que la semana pasada.

Fuentes y lecturas adicionales