Dos hitos en la investigación de la computación cuántica —avances significativos en la eficiencia de la corrección de errores y la primera verificación experimental de una suposición fundamental de escalabilidad— han cambiado sustancialmente las probabilidades de que se produzca una computadora cuántica viable en algún momento de la próxima década, según Shinobi, quien escribe en la más reciente edición impresa de Bitcoin Magazine, The Quantum Issue. Ni la ubicuidad ni el acceso fácil están garantizados, advierte el autor, pero la posibilidad de que surjan máquinas viables en un futuro cercano no debe descartarse.

El debate sobre si una computadora cuántica representa una amenaza real para la red de Bitcoin lleva más de una década. La pregunta tiene raíz en cómo se protege Bitcoin: gastar fondos requiere una firma digital de curva elíptica, el tipo de problema matemático que el algoritmo de Shor podría en principio quebrar en una máquina cuántica suficientemente capaz, mientras que el hash SHA-256 que sustenta la minería se considera mucho más resistente, ya que el algoritmo de Grover ofrece solo una aceleración cuadrática. Ya era un tema de conversación serio hace más de 13 años, cuando Shinobi descubrió Bitcoin por primera vez. Desde entonces, ha habido un progreso considerable tanto en teoría como en ingeniería del mundo real. Eso no significa inherentemente que la tecnología alcanzará la ubicuidad, o incluso una relativa facilidad de acceso para quienes tienen grandes cantidades de capital. Pero es muy posible que se produzcan varias máquinas viables en un futuro cercano.

Mejoras en la corrección de errores

La primera mejora importante ha llegado en la corrección de errores. Para compensar el ruido inherente al trabajar a esta escala tan pequeña, producir un cúbit lógico que sea útil para el cálculo en la práctica requiere el uso de múltiples cúbits físicos redundantes.

El estado del arte anterior eran los códigos de superficie: una forma de agrupar múltiples cúbits físicos en una cuadrícula y usar algunos de ellos como cúbits de verificación que periódicamente «revisan» a sus vecinos para asegurar que no hayan ocurrido errores internos en la superposición, sin colapsar la superposición. Los espacios vacíos de cada cuadrícula deben llenarse con cúbits deificación.

Este requisito de cúbits de verificación crea una sobrecarga adicional que puede acercarse a 1,000 cúbits físicos por cúbit lógico en total, y escala mal porque los cúbits de verificación solo pueden revisar los cúbits inmediatamente adyacentes a ellos. Por lo tanto, cada agrupación de cúbits necesita verificadores posicionados a distancias equidistantes.

Los códigos cuánticos de paridad de baja densidad (qLDPC) eliminan este cuello de botella, permitiendo que los cúbits de verificación revisen otros cúbits a grandes distancias a través del dispositivo, ya sea mediante trazas entrelazadas para comunicarse entre secciones del chip, o moviendo físicamente átomos, como en el diseño de átomos neutros. Esto ha permitido una reducción de 10x en la cantidad de cúbits físicos necesarios para producir un cúbit lógico confiable.

Para el modelo de amenaza de Bitcoin, esa relación de sobrecarga es el punto crítico. Cualquier máquina capaz de ejecutar el algoritmo de Shor contra firmas de curva elíptica tendría que ensamblarse a partir de cúbits lógicos confiables, por lo que cuántos cúbits físicos consume cada uno determina en gran medida la escala del hardware involucrado. Ese no es un avance desdeñable. Puede que no represente una máquina completamente funcional avanzando hacia mayor eficiencia, pero constituye ganancias materiales de eficiencia en los procesos de ingeniería que subyacen a la producción de una computadora cuántica completamente funcional.

Progreso en la demostración de fundamentos

El segundo hito concierne a una pregunta más fundamental: si la afirmación de que agregar más cúbits físicos conduce a una reducción del ruido general del sistema, en lugar de un aumento, realmente se sostiene. En este punto sigue siendo en gran medida teoría, y vale la pena tener en cuenta que, hasta el día de hoy, nunca ha existido una computadora cuántica completamente funcional que haya realizado de extremo a extremo un cálculo que una computadora clásica sea incapaz de hacer.

Google realizó un experimento usando sus chips Sycamore (y posteriormente Willow) para verificar experimentalmente el efecto de agregar más cúbits físicos. Ambos son procesadores superconductores, la misma amplia familia de hardware cuyas restricciones de disposición física aborda el trabajo sobre qLDPC, compitiendo junto a diseños de átomos neutros que organizan verificaciones de errores de larga distancia moviendo físicamente átomos. Para ser muy claros, esto no fue una demostración de realizar cálculos, sino simplemente una demostración de almacenar información en memoria sin que se degrade.

Usando cúbits lógicos compuestos por un conjunto de 17 cúbits físicos, un conjunto de 49 y un conjunto de 101, Google demostró que la tasa de error lógico, la frecuencia de corrupción de datos, disminuía a medida que aumentaba la cantidad de cúbits físicos. La prueba superó un umbral crítico: el cúbit lógico creado a partir de los cúbits físicos independientes mantuvo la coherencia más que cualquier cúbit físico individual que lo componía.

De nuevo, esto no es un salto a una computadora cuántica completamente funcional realizando cálculos que las máquinas clásicas son incapaces de hacer, pero es un progreso material al demostrar una de las suposiciones fundamentales subyacen a las computadoras cuánticas.

IA

Estos no son los únicos ámbitos en los que se están encontrando mejores soluciones en este espacio del problema. La inteligencia artificial se ha convertido en un componente importante en estos sistemas. Se está utilizando en el proceso real de lectura y decodificación de información de una computadora cuántica, un gran cuello de botella para aprovechar estas máquinas a gran escala.

La IA también se está utilizando en el desarrollo de nuevos algoritmos cuánticos optimizados para este tipo de máquinas, y dada la reciente oleada de IA que ayuda a resolver —o incluso a refutar conjeturas existentes de— problemas importantes en el campo de las matemáticas, no es un salto descabellado considerar la posibilidad de grandes avances impulsados por la IA.

Se está poniendo al mismo servicio en el diseño de los circuitos cuánticos físicos que se construyen con diferentes arquitecturas. Este es un problema genuinamente complejo: encontrar la forma óptima de disponer las compuertas cuánticas en un espacio físico para minimizar el ruido a nivel cuántico, sin crear tanto espacio vacío que se introduzcan latencia, ineficiencia y otros problemas.

Este es un factor que bien podría acelerar enormemente el progreso hacia la resolución de los problemas fundamentales necesarios.

Perspectivas

En última instancia, en opinión del autor, todo se reduce a una pregunta: ¿se sostiene realmente la suposición de que agregar más cúbits físicos reduce el ruido cuando se trata de cálculo y la manipulación activa de información cuántica?

Si esa suposición se sostiene —y no es refutada experimentalmente en un futuro cercano— entonces existe un caso muy realista de que se produzca una computadora cuántica viable en los próximos diez años. Se está invirtiendo una cantidad masiva de recursos en este problema, y ha habido un progreso significativo, aunque no abrumador, en la resolución de partes de él. Y si fundamentalmente existe una manera de hacer algo, los seres humanos suelen descubrirla.

Esa incertidumbre no es exclusiva de Bitcoin. La industria de seguridad más amplia ya ha comenzado a actuar ante el riesgo a largo plazo: en 2024, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. finalizó sus primeros estándares de criptografía postcuántica, aprobando reemplazos para los algoritmos de clave pública que una máquina cuántica a gran escala podría amenazar. Para los lectores que siguen este espacio, los indicadores a corto plazo son sencillos: si los conjuntos de cúbits lógicos siguen escalando con tasas de error decrecientes, y si los experimentos progresan del almacenamiento de información cuántica al cálculo activo con ella, precisamente el umbral que el autor identifica como la pregunta abierta.

El mensaje no es que sea hora de entrar en pánico, pero la posibilidad no debe descartarse.

Este artículo se presenta en la más reciente edición impresa de Bitcoin Magazine, The Quantum Issue, y se comparte como un adelanto de las ideas exploradas a lo largo de la edición completa. Apareció por primera vez en Bitcoin Magazine y está escrito por Shinobi.