Google Quantum AI informó el jueves que una técnica llamada cultivo de estados mágicos redujo los errores en aproximadamente 40 veces en su chip Willow, produciendo estados mágicos con una fidelidad récord de 99.99%. La empresa dice que ha convertido uno de los trucos más prometedores de la computación cuántica, que solo existía en el papel, en algo que realmente funciona en un chip, con los resultados publicados en Science este jueves.

Los estados mágicos son recursos de un solo uso necesarios para ejecutar programas cuánticos útiles, y Google señala que algunas estimaciones ubican el costo de producirlos en hasta el 95% de la capacidad de una computadora cuántica.

Hacer que las computadoras cuánticas sean más baratas de construir importa mucho más allá de los laboratorios de física. Acerca el día en que estas máquinas puedan hacer trabajo útil, como diseñar fármacos y nuevos materiales y, por igual, el día en que alguien podría romper el cifrado que protege los inicios de sesión bancarios y las billeteras de Bitcoin.

Por qué importan los estados mágicos

Las computadoras cuánticas funcionan con qubits—bits cuánticos que pueden mantener una mezcla de 0 y 1 al mismo tiempo, lo que les permite explorar muchas respuestas en paralelo. También son absurdamente frágiles: un poco de calor o ruido eléctrico puede voltear un qubit y arruinar un cálculo, razón por la cual toda la industria está obsesionada con la corrección de errores, que distribuye una pieza de información entre muchos qubits para que los errores puedan detectarse y corregirse. El chip Willow de Google, presentado en diciembre de 2024, demostró ese principio en hardware real: a medida que el código de corrección de errores escala, las tasas de error disminuyen en lugar de aumentar.

La corrección de errores maneja bien las operaciones simples, pero un programa genuinamente útil también necesita una clase de operaciones más difíciles que no pueden protegerse de la misma manera. Para ejecutarlas, la máquina primero debe fabricar estados mágicos, que funcionan como celdas de combustible de un solo uso para esas operaciones: cada una se consume en el momento en que se usa.

Producir estados mágicos limpios siempre ha sido brutalmente costoso. Algunas estimaciones ubican la factura en hasta el 95% de la capacidad total de una computadora cuántica, según Google, dejando muy poco espacio para la computación real.

De la destilación al cultivo

Los físicos Sergei Bravyi y Alexei Kitaev plantearon la solución estándar en 2004 con la destilación de estados mágicos, que toma muchos estados mágicos ruidosos y los reduce a unos pocos limpios. Funciona, pero exige extensas "fábricas" de qubits que no hacen nada más.

En 2024, investigadores de Google propusieron una ruta más económica que llamaron cultivo de estados mágicos. En lugar de una fábrica, la técnica se comporta como un filtro: se inyecta un estado mágico rudimentario en una pequeña porción del chip, se le aplica una cadena de verificaciones, se descarta cada intento con un defecto detectado y los sobrevivientes se siguen cultivando. Su artículo llegó a sugerir que la destilación adicional "podría no ser necesaria en la práctica".

"En el procesador Willow de Google Quantum AI, nuestro protocolo logró una reducción extraordinaria de errores de 40 veces en comparación con los estados no cultivados. Y obtuvimos estados T con una fidel lógica récord de 99.99%", dijo Google en su anuncio. Los estados T son el tipo específico de estado mágico que se consume para aplicar la puerta T, una de las operaciones más difíciles que la corrección de errores no puede proteger por sí sola.

Solo cerca del 8% de los intentos superó todas las verificaciones, lo que significa que el chip descarta más de nueve de cada diez intentos para conservar un estado limpio.

Lo que está en juego criptográficamente

El cultivo es uno de los trucos detrás de la estimación de 2025 de Gidney de que el cifrado RSA-2048 podría romperse con menos de un millón de qubits ruidosos, una caída de 20 veces respecto a los 20 millones que estimó en 2019.

Google apretó aún más los tornillos en marzo, cuando un documento técnico de Quantum AI, coescrito con el investigador de la Ethereum Foundation Justin Drake y el criptógrafo de Stanford Dan Boneh, ubicó el costo de romper la criptografía de curva elíptica de Bitcoin—las matemáticas que impiden que alguien derive una clave privada a partir de una dirección pública—en menos de 500,000 qubits físicos. Eso siguió al experimento Quantum Echoes de la empresa en octubre pasado, la primera aceleración cuántica verificada en hardware real.

La defensa avanza según su propio calendario: NIST finalizó sus primeros estándares de criptografía poscuántica en agosto de 2024—algoritmos diseñados para resistir ataques de grandes máquinas cuánticas futuras—y ha propuesto prohibir los esquemas de clave pública vulnerables a la computación cuántica, como RSA y la criptografía de curva elíptica, en sistemas federales después de 2035.

Todavía lejos de romper códigos

Nadie está vaciando billeteras con esto. El experimento utilizó como máximo 54 de los 105 qubits de Willow, y el artículo señala que factorizar una clave RSA-2048 requeriría estados mágicos con errores de alrededor de uno en 10 mil millones—aproximadamente un millón de veces más limpios de lo que Google acaba de lograr.

Qué sigue

Google dice que el siguiente paso es ejecutar el cultivo a mayor escala. El equipo proyecta que reducir a la mitad el ruido subyacente del hardware de Willow llevaría los errores de los estados mágicos a alrededor de dos en 100,000, porque los errores del proceso disminuyen con el cubo del nivel de ruido del chip. La tasa de aprobación de aproximadamente el 8% es el otro número a observar: cuantos más intentos superen todas las verificaciones, menos capacidad de la máquina se destinará a intentos que terminan descartados.