Hoy me complace anunciar Willow, nuestro último chip cuántico. Willow tiene un rendimiento de vanguardia en varias métricas, lo que permite dos logros importantes.
- El primero es que Willow puede reducir los errores exponencialmente a medida que aumentamos el número de qubits. Esto resuelve un desafío clave en la corrección de errores cuánticos que el campo ha perseguido durante casi 30 años.
- El segundo logro es que Willow realizó una computación estándar en menos de cinco minutos, una tarea que tomaría a una de las supercomputadoras más rápidas de hoy 10 septillones de años (es decir, 10^25 años), una cifra que supera ampliamente la edad del Universo.
El chip Willow es un paso importante en un viaje que comenzó hace más de 10 años. Cuando fundé Google Quantum AI en 2012, la visión era construir una computadora cuántica útil y de gran escala que pudiera aprovechar la mecánica cuántica —el “sistema operativo” de la naturaleza tal como lo conocemos hoy— para beneficiar a la sociedad avanzando en el descubrimiento científico, desarrollando aplicaciones útiles y abordando algunos de los mayores desafíos de la sociedad. Como parte de Google Research, nuestro equipo ha trazado una hoja de ruta a largo plazo, y Willow nos lleva significativamente por ese camino hacia aplicaciones comercialmente relevantes.
https://youtu.be/W7ppd_RY-UE
Corrección de errores cuánticos exponencial: ¡por debajo del umbral!
Los errores son uno de los mayores desafíos en la computación cuántica, ya que los qubits, las unidades de cálculo en las computadoras cuánticas, tienen la tendencia de intercambiar rápidamente información con su entorno, lo que hace difícil proteger la información necesaria para completar una computación. Típicamente, cuanto más qubits uses, más errores ocurrirán, y el sistema se vuelve clásico.
Hoy, en Nature, publicamos resultados que muestran que a medida que usamos más qubits en Willow, más reducimos los errores y el sistema se vuelve más cuántico. Probamos arreglos de qubits físicos cada vez más grandes, escalando desde una cuadrícula de 3x3 qubits codificados, hasta una cuadrícula de 5x5, y luego a una cuadrícula de 7x7; y cada vez, usando nuestros avances más recientes en corrección de errores cuánticos, logramos reducir la tasa de errores a la mitad. En otras palabras, logramos una reducción exponencial en la tasa de errores. Este logro histórico se conoce en el campo como "por debajo del umbral", lo que significa poder reducir los errores mientras se aumenta el número de qubits. Debes demostrar que estás por debajo del umbral para mostrar un verdadero progreso en la corrección de errores, y esto ha sido un desafío destacado desde que Peter Shor introdujo la corrección de errores cuánticos en 1995.
También hay otros "primeros" científicos involucrados en este resultado. Por ejemplo, es uno de los primeros ejemplos convincentes de corrección de errores en tiempo real en un sistema cuántico superconductor, lo cual es crucial para cualquier computación útil, porque si no puedes corregir los errores lo suficientemente rápido, arruinan tu computación antes de que termine. Y es una demostración "más allá del punto de equilibrio", donde nuestros arreglos de qubits tienen una vida útil más larga que los qubits físicos individuales, una señal irrefutable de que la corrección de errores está mejorando el sistema en general.
Como el primer sistema por debajo del umbral, este es el prototipo más convincente de un qubit lógico escalable construido hasta la fecha. Es una señal fuerte de que realmente se pueden construir computadoras cuánticas útiles y de gran escala. Willow nos acerca a ejecutar algoritmos prácticos y comercialmente relevantes que no pueden ser replicados en computadoras convencionales.
10 septillones de años en una de las supercomputadoras más rápidas de hoy
Como medida del rendimiento de Willow, usamos el benchmark de random circuit sampling (RCS). Pionero por nuestro equipo y ahora ampliamente utilizado como estándar en el campo, RCS es el benchmark clásicamente más difícil que se puede hacer en una computadora cuántica hoy en día. Puedes pensar en esto como un punto de entrada para la computación cuántica: verifica si una computadora cuántica está haciendo algo que no se podría hacer en una computadora clásica. Cualquier equipo que construya una computadora cuántica debe verificar primero si puede superar a las computadoras clásicas en RCS; de lo contrario, hay razones fuertes para dudar de que pueda abordar tareas cuánticas más complejas. Hemos usado consistentemente este benchmark para evaluar el progreso de una generación de chips a la siguiente —informamos los resultados de Sycamore en octubre de 2019 y nuevamente en octubre de 2024.
El rendimiento de Willow en este benchmark es asombroso: realizó una computación en menos de cinco minutos que tomaría a una de las supercomputadoras más rápidas de hoy 10^25 o 10 septillones de años. Si lo escribes, es 10,000,000,000,000,000,000,000,000 años. Este número asombroso supera los tiempos conocidos en física y excede en gran medida la edad del universo. Esto da credibilidad a la noción de que la computación cuántica ocurre en muchos universos paralelos, en línea con la idea de que vivimos en un multiverso, una predicción hecha por primera vez por David Deutsch.
Estos últimos resultados de Willow, como se muestra en el gráfico a continuación, son nuestros mejores hasta ahora, pero continuaremos avanzando.
https://youtu.be/l_KrC1mzd0g
Rendimiento de vanguardia
Willow fue fabricado en nuestra nueva y moderna instalación de fabricación en Santa Bárbara, una de las pocas instalaciones en el mundo construidas desde cero para este propósito. La ingeniería del sistema es clave al diseñar y fabricar chips cuánticos: todos los componentes de un chip, como las puertas de un solo qubit y de dos qubits, el reinicio de qubits y la lectura, deben ser simultáneamente bien diseñados e integrados. Si algún componente no funciona bien o si dos componentes no funcionan juntos correctamente, esto reduce el rendimiento del sistema. Por lo tanto, maximizar el rendimiento del sistema informa todos los aspectos de nuestro proceso, desde la arquitectura del chip y la fabricación hasta el desarrollo y la calibración de las puertas. Los logros que informamos evalúan los sistemas de computación cuántica de manera integral, no solo un factor a la vez.
Nos estamos enfocando en la calidad, no solo en la cantidad, porque producir simplemente más qubits no ayuda si no son de calidad suficiente. Con 105 qubits, Willow ahora tiene un rendimiento de clase mundial en los dos benchmarks de sistema mencionados anteriormente: corrección de errores cuánticos y random circuit sampling. Estos benchmarks algorítmicos son la mejor manera de medir el rendimiento general del chip. Otros métricos de rendimiento más específicos también son importantes; por ejemplo, nuestros tiempos T1, que miden cuánto tiempo los qubits pueden retener una excitación — el recurso clave en la computación cuántica — ya se están acercando a los 100 µs (microsegundos). Esto es una mejora impresionante de aproximadamente 5 veces respecto a nuestra generación anterior de chips.
¿Qué sigue con Willow y más allá?
El próximo desafío para el campo es demostrar una primera "computación útil, más allá de lo clásico" en los chips cuánticos de hoy que sea relevante para una aplicación del mundo real. Somos optimistas de que la generación de chips Willow puede ayudarnos a lograr este objetivo. Hasta ahora, ha habido dos tipos separados de experimentos. Por un lado, hemos ejecutado el benchmark RCS, que mide el rendimiento frente a las computadoras clásicas pero no tiene aplicaciones del mundo real conocidas. Por otro lado, hemos hecho simulaciones científicamente interesantes de sistemas cuánticos, lo que ha llevado a nuevos descubrimientos científicos, pero que aún están dentro del alcance de las computadoras clásicas. Nuestro objetivo es hacer ambas cosas al mismo tiempo: dar el salto hacia el ámbito de los algoritmos que están más allá del alcance de las computadoras clásicas y que son útiles para problemas comerciales relevantes en el mundo real.
Invitamos a investigadores, ingenieros y desarrolladores a unirse a nosotros en este viaje revisando nuestro software de código abierto y recursos educativos, incluido nuestro nuevo curso en Coursera, donde los desarrolladores pueden aprender lo esencial de la corrección de errores cuánticos y ayudarnos a crear algoritmos que puedan resolver los problemas del futuro.
Mis colegas a veces me preguntan por qué dejé el campo emergente de la IA para centrarme en la computación cuántica. Mi respuesta es que ambas tecnologías serán las más transformacionales de nuestra época, pero la IA avanzada se beneficiará enormemente del acceso a la computación cuántica. Por eso nombré a nuestro laboratorio Quantum AI. Los algoritmos cuánticos tienen leyes de escalamiento fundamentales a su favor, como estamos viendo con RCS. Hay ventajas similares de escalamiento para muchas tareas computacionales fundamentales que son esenciales para la IA. Así que la computación cuántica será indispensable para recolectar datos de entrenamiento que son inaccesibles para las máquinas clásicas, entrenar y optimizar ciertas arquitecturas de aprendizaje y modelar sistemas donde los efectos cuánticos son importantes. Esto incluye ayudarnos a descubrir nuevos medicamentos, diseñar baterías más eficientes para autos eléctricos y acelerar el progreso en fusión y nuevas alternativas energéticas. Muchas de estas aplicaciones futuras revolucionarias no serán viables en computadoras clásicas; están esperando a ser desbloqueadas con la computación cuántica.
Vía | Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip
https://tecnologiaconjuancho.com/willow-el-chip-cuantico-que-revoluciona-la-computacion-moderna/
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