El anuncio del chip cuántico Willow de Google y su significado
(scottaaronson.blog)- Google Quantum presentó en Q2B Willow, un chip superconductor de 105 cúbits, junto con cúbits con corrección de errores basados en código de superficie y un experimento más grande de Random Circuit Sampling
- El mayor logro científico es que, al aumentar el tamaño del código de superficie de 3×3→5×5→7×7, se alargó la vida útil del cúbit lógico codificado, lo que puede verse como un resultado que supera un umbral importante de la corrección de errores cuánticos
- Sin embargo, para el cúbit tolerante a fallas “real” del que habla Google se necesitan compuertas tolerantes a fallas de 2 cúbits con un error de aproximadamente 10^-6, y este experimento se quedó en la creación de un único cúbit codificado
- El nuevo experimento de Random Circuit Sampling tiene una escala de 105 cúbits y 40 capas de compuertas; según los mejores algoritmos de simulación conocidos actualmente y una supercomputadora de exaescala, una simulación clásica tardaría unos 300 millones de años, o cerca de 10^25 años si hay restricciones de memoria
- Por la misma razón, también es difícil verificar directamente los resultados con una computadora clásica, por lo que la fuerza persuasiva de este experimento depende de una verificación indirecta que extrapola a circuitos grandes los resultados comprobados en circuitos más pequeños
El anuncio de Willow y los avances desde 2019
- Google Quantum anunció oficialmente su nuevo chip superconductor Willow de 105 cúbits
- El anuncio incluye una demostración de un cúbit de código de superficie con corrección de errores
- También se presentó un experimento de supremacía cuántica más grande basado en Random Circuit Sampling
- Este avance técnico corresponde al mismo logro básico que el preprint sobre tolerancia a fallas que Google publicó en arXiv en agosto de 2024
- Lo que cambió es que ahora se suman el nombre oficial del chip, Willow, un paper en Nature, detalles adicionales y una gran campaña de difusión
- Desde el anuncio original de supremacía cuántica de Google en 2019, la cantidad de cúbits del chip se duplicó aproximadamente y el tiempo de coherencia de los cúbits se multiplicó por 5
- La fidelidad de las compuertas de 2 cúbits está alrededor de 99.7% para las compuertas controlled-Z y de 99.85% para las compuertas iswap
- En 2019 era de aproximadamente 99.5%
El umbral superado en corrección de errores
- El resultado científicamente más importante es que, al aumentar el tamaño del código de superficie, el cúbit lógico codificado se mantuvo durante más tiempo
- El tamaño del código aumentó a 3×3, 5×5, 7×7
- En vez de que el sistema más grande se volviera más inestable, la estructura de corrección de errores efectivamente funcionó en la dirección de aumentar su vida útil
- Esto se interpreta como un caso en el que se supera un umbral importante para la tolerancia a fallas cuántica
- Es una de las condiciones para avanzar hacia una computación cuántica escalable capaz de preservar y operar cúbits lógicos durante mucho tiempo
- Según Sergio Boixo, de Google, para que Google lo considere un cúbit tolerante a fallas “real”, se necesita una compuerta tolerante a fallas de 2 cúbits con un error de aproximadamente 10^-6
- Eso equivale a realizar alrededor de un millón de operaciones tolerantes a fallas antes de que ocurra un error
- Este experimento creó un único cúbit codificado, y no intentó operaciones codificadas ni operaciones entre varios cúbits codificados
La escala del experimento de Random Circuit Sampling
- Google también anunció en Willow un nuevo experimento de supremacía cuántica basado en Random Circuit Sampling
- Usa 40 capas de compuertas en un chip de 105 cúbits
- El costo de simulación clásica calculado por Google se basa en los mejores algoritmos conocidos actualmente y en supercomputadoras de exaescala
- Si la memoria no fuera un problema, unos 300 millones de años
- Si la memoria sí fuera un problema, unos 10^25 años
- Como comparación, el tiempo transcurrido desde el Big Bang es de aproximadamente 10^10 años
- Estas cifras parecen razonables según los algoritmos de simulación conocidos actualmente
- Sigue existiendo la posibilidad de que se descubran mejores métodos de simulación clásica
- Al mismo tiempo, el experimento en sí también puede mejorar rápidamente
Una supremacía cuántica difícil de verificar directamente
- La advertencia más importante es que la verificación directa de los resultados de Random Circuit Sampling es clásicamente muy difícil por la misma razón
- Si a una computadora clásica le toma alrededor de 10^25 años simular el cálculo cuántico, también podría tomarle unos 10^25 años verificarlo calculando directamente la puntuación de Linear Cross-Entropy de la salida
- Por lo tanto, el nuevo experimento de supremacía cuántica de Willow se apoya en una verificación indirecta
- Se verifican los resultados en circuitos más pequeños que una computadora clásica sí puede comprobar
- Luego esos resultados se extrapolan a circuitos más grandes
- No parece haber motivos para sospechar de esa extrapolación en sí, pero este caso muestra por qué se necesitan experimentos de supremacía cuántica de futuro cercano que puedan verificarse eficientemente
- La conclusión es que ya se entró de lleno en un territorio donde la verificación directa es difícil
El debate sobre la interpretación de muchos mundos y los límites de este experimento
- Hartmut Neven, líder de Google Quantum AI, mencionó el argumento de David Deutsch de los años 90 según el cual las computadoras cuánticas obligan a aceptar la realidad de los muchos mundos al estilo Everett
- El experimento de Willow no añade nada nuevo a ese viejo debate
- Es un caso que vuelve a confirmar las predicciones de la mecánica cuántica
- Lo que esas predicciones significan para nuestra comprensión de la realidad sigue siendo un tema en debate desde la década de 1920
La competencia entre plataformas de cúbits
- Willow es un resultado positivo para Google y para el enfoque de cúbits superconductores
- En los últimos años, los enfoques de trapped-ion y neutral-atom parecían estar avanzando con mejores resultados, y empresas como Quantinuum y QuEra obtuvieron resultados impresionantes
- Los competidores también deberán mostrar resultados en los que la vida útil de los cúbits lógicos mejore a medida que aumenta el tamaño del código
- Más allá de eso, deberán demostrar operaciones con cúbits lógicos que superen el umbral sin postselection
- Los cúbits trapped-ion pueden moverse, y la fidelidad de sus compuertas de 2 cúbits parece superar a la de los enfoques superconductores
- Los cúbits superconductores tienen la ventaja de que sus compuertas son unas 1000 veces más rápidas
- Eso hace posible realizar experimentos que requieren recolectar millones de muestras
Escepticismo y reacciones externas
- Gil Kalai, escéptico de la computación cuántica, sostiene que las afirmaciones extraordinarias de Google Quantum AI deben tratarse con cautela y que podría haber errores metodológicos
- La mayor parte de su texto se concentra en volver a analizar los datos del experimento de supremacía cuántica de Google de 2019
- Hay una réplica según la cual el experimento de 2019 ya fue seguido por nuevos resultados de Google y por resultados de Random Circuit Sampling de otras instituciones
- IBM, Quantinuum, QuEra y USTC también reportaron experimentos de Random Circuit Sampling con buenos resultados
- Se evalúa que la reacción de Sabine Hossenfelder no difiere mucho en los hechos concretos, pero adopta un encuadre mucho más negativo
- La postura es que, debido a la larga experiencia tratando logros inexistentes de computación cuántica presentados de forma exagerada o deshonesta, este resultado, que muestra un hito real y fue comunicado sin falsedades evidentes, se ve de forma positiva
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Leer esto me hace sentir diminuto. Ser ingeniero de software, usando APIs y actualizando filas en bases de datos, parece ridículamente infantil comparado con lo que acabo de leer.
Me cuesta imaginar por qué siquiera debería intentar entenderlo, y parece completamente inaccesible. Solo una élite minúscula puede tocar máquinas como estas.
Busca papers, llena muchos huecos e invierte algunos años de tu tiempo libre; en 6 meses estarás 6 meses más cerca que ahora. Con o sin una razón, es algo que vale la pena intentar por curiosidad, y tampoco hay que olvidar que si alguien dedica su vida a una sola cosa, naturalmente no la dedica a otras. También hay cosas que tal vez se te den mejor, como subir montañas, hacer pizza o responder con ingenio en situaciones sociales.
Después me pregunto qué tenía que hacer en el trabajo y recuerdo: ah, claro, implementar componentes, como he venido haciendo durante los últimos 10 años más o menos. El problema es que, sin abandonar la zona cómoda de un trabajo bien pagado y manejable, también es difícil avanzar hacia el camino de parecer experto en algún área o asumir responsabilidades. Ahí aparecen el síndrome del impostor y la evasión de responsabilidades, y de verdad necesito vacaciones.
Dediqué la tarde de ayer y la mañana de hoy a aprender todo lo que pude, y ahora tengo al menos una idea muy superficial de la coherencia cuántica, la superposición y las relaciones de fase. Así que sí se puede. Ahora tengo que irme un momento a aprender álgebra lineal.
Si quieres profundizar más en la computación cuántica, recomiendo mucho el libro de Scott Aaronson, “Quantum Computing since Democritus”. Aunque tengas formación en física y matemáticas, su estilo es vívido y envolvente, y reorganiza incluso lo que ya sabías de una forma única y condensada. Por ejemplo, su explicación del argumento diagonal de Cantor, o la idea de que la mecánica cuántica es una consecuencia natural de que las “probabilidades negativas” sean reales, son intuiciones excelentes que personalmente he usado mucho.
También es útil entender los límites de la computación cuántica. Al final, lo que probablemente veremos será algo como una API de QaaS que, por ejemplo, nos permita factorizar números grandes. Sin conocer el algoritmo de Shor ni los detalles de implementación, recibiremos la respuesta de forma exponencialmente más rápida que con métodos clásicos. No espero computadoras cuánticas de escritorio, lenguajes dedicados ni software de usuario general corriendo sobre ellas. Claro, algún día alguien correrá Doom encima, pero será dentro de varias décadas.
https://www.alibris.com/booksearch?mtype=B&keyword=quantum+c...
https://podcast.clearerthinking.org/episode/208/scott-aarons...
https://quantum.country
Dicen que el problema que resolvieron le tomaría unos 10^24 años a una computadora convencional, pero es un problema que no le importa a nadie que no sea investigador cuántico.
Estaría bien que resolvieran un problema que también le interese a alguien fuera de la investigación cuántica. Aunque sea el problema del viajante con n=10, o factorizar un número de 10 dígitos. Hasta entonces, las computadoras cuánticas están en la misma categoría que la fusión comercial. Sobran los “avances revolucionarios”, pero el resultado es 0.
La comparación con la investigación contra el cáncer muestra bien la diferencia. Casi desaparecieron los anuncios anuales de “¡un avance que podría curar el cáncer!”, y en su lugar sigue habiendo progreso constante y real.
La fe y la visión son cosas realmente espirituales también en la tecnología.
“El próximo reto para el campo es demostrar, en los chips cuánticos actuales, el primer cálculo ‘útil y más allá de los límites clásicos’ que sea relevante para una aplicación real”.
Más importante aún, esta línea de experimentos busca refutar la idea de que aparecerá algún fenómeno físico inesperado que rompa el escalamiento computacional. Nadie confiable afirma que el experimento actual sea útil para algo práctico.
Desde la perspectiva de un completo lego, no entiendo por qué el hito no es un problema difícil clásicamente pero fácil de verificar. Se siente aún más extraño porque hemos escuchado muchas veces que la computación cuántica romperá con mucha facilidad cifrados que las computadoras normales no pueden romper.
El argumento que apoya la interpretación de los muchos mundos al estilo Everett, es decir, la afirmación de que “si el cálculo no se subcontrató a universos paralelos, ¿dónde habría ocurrido?”, no parece lógico.
Esos universos paralelos también estarían ejecutando el mismo cálculo al mismo tiempo, así que ¿no nos estarían “subcontratando” parte de su propio cálculo? Entonces sería un juego de suma cero, y no entiendo cómo podría surgir una mejora de rendimiento en el conjunto de todos los universos.
Cuando ejecutas una computadora cuántica, se crea una “nueva línea temporal”. Por supuesto, los átomos comunes que están quietos también harían eso, y lo difícil en una computadora cuántica es hacer que esa ramificación sea temporal.
Así que una computadora cuántica se divide en múltiples versiones de sí misma, realiza parte del cálculo en cada versión y combina los resultados. Esto no es MapReduce; las formas en que se puede combinar están estrictamente limitadas y, desde una perspectiva clásica, todas son extrañas.
Con esta base se puede defender la interpretación de los muchos mundos. Porque, de algún modo, el cálculo combinado tuvo que ocurrir en algún lugar. Cuanto más grande y más duradero sea el cálculo, menos encaja con la interpretación de Copenhague. Estrictamente hablando, no contradice la teoría de la onda piloto, pero la teoría de la onda piloto es como agregarle a la interpretación de los muchos mundos la declaración: “¿Ves esta línea temporal de aquí? Esta es la real y las demás son falsas. Sí, todos los cálculos necesarios para implementarlas ocurren, pero simplemente no tienen la propiedad de ‘realidad’”.
Sin embargo, entonces la teoría de la onda piloto no encaja con el computacionalismo y, por lo tanto, tampoco con conceptos como la carga de mentes. Por supuesto, uno puede aceptar esa conclusión.
No estoy en contra del multiverso en sí, pero si tuviera que elegir entre “ocurrió un cálculo al estilo Turing y para eso hicieron falta universos paralelos” y “en el universo en el que vivimos ocurrió algo contraintuitivo y todavía no suficientemente entendido”, apostaría por lo segundo.
Al menos se empieza con un universo por cada posibilidad, de modo que se calculen todas las rutas de código. Luego se agrega un mecanismo que genere muchísimos más universos cuando aparece el resultado correcto. Entonces hay 1 universo por cada resultado incorrecto, y 2^300 universos solo para el resultado correcto. Si ejecutas eso, obtienes el resultado correcto con una probabilidad del 99.99999%.
No estoy tratando de defender esta interpretación, pero desde la perspectiva de los muchos mundos es fácil ver cómo algo así podría ser posible. En la práctica, la corrección de errores se convierte en un mecanismo para crear más universos con respuestas correctas que con respuestas incorrectas, y así funciona todo el conjunto. Pensar la corrección de errores cuánticos de esta forma es bastante razonable. Porque, en la práctica, es un mecanismo que hace que se favorezcan las respuestas correctas observadas, y en muchos mundos eso significa crear más universos con respuestas correctas.
Esta lógica me resulta convincente. Aunque ya creía en la conclusión, así que estoy sesgado.
No entiendo la parte que dice que “por exactamente la misma razón por la que a una computadora clásica le tomaría alrededor de 10^25 años simular este cálculo cuántico, a una computadora clásica también le tomaría alrededor de 10^25 años verificar directamente el resultado de la computadora cuántica”.
¿No hay muchos problemas que tardan mucho en resolverse pero son triviales de verificar? Por ejemplo, la factorización de un número enorme que es producto de varios primos muy grandes. Tal vez no sea de la escala de 10^25 años, pero aun así, ¿no?
La razón por la que esto hizo caer a mucha gente es que suena como “demostraron que P≠NP”. La clave para entenderlo es A) aferrarse a la palabra este en “este cálculo”, y B) recordar que la factorización de primos es una aplicación plausible de la computación cuántica.
Si parece contradecir B, se resuelve limpiamente con: “sí, pero las computadoras cuánticas todavía no son lo suficientemente grandes para hacer factorización de primos”.
Como el artículo sugiere un poco de costado, si alguien encontrara un cálculo que A) no se pudiera calcular clásicamente en tiempo razonable, B) se pudiera calcular en una computadora cuántica muy pequeña y C) se pudiera verificar con una computadora clásica en tiempo razonable, muchos investigadores se entusiasmarían.
El hardware está avanzando, pero hay un problema. No hay algoritmos para ejecutar en una computadora cuántica. No hay nada aparte del algoritmo de Shor, útil para romper RSA.
Solo hay ideas vagas de que podría ser útil para simulación cuántica u optimización. Si mañana tuviéramos una computadora cuántica plenamente funcional, ¿qué ejecutaríamos? Es un vacío.
La única esperanza sería un avance en algoritmos cuánticos, pero no se ve nada y tampoco hay mucho progreso por ese lado. Además, Zapata Computing, la empresa de algoritmos cuánticos que más inversión había recibido, quebró este año.
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_algorithm
Artículo relacionado: Willow, Our Quantum Chip
https://news.ycombinator.com/item?id=42367649
En resumen, es un resultado real, y lo interesante es que, a medida que aumenta la cantidad de qubits, parecen sobrevivir más tiempo, no menos. Lo malo es que el resultado no se verifica explícitamente, sino que se confirma solo por extrapolación.
a) La corrección de errores, para amplificar la señal, necesita desde el principio un nivel bajo de errores; por fin se llegó a ese punto, y configuraciones de corrección más grandes manejan más errores.
b) Un problema de benchmark “estándar” ahora calcula al 100% algo que en la práctica ya no es computable con chips clásicos. El problema es tan cuántico que ya ni siquiera puede verificarse con chips clásicos.
Hablemos de lo que realmente importa: en la era poscuántica, ¿en qué habría que invertir? Lo resumo rápido.
El chip cuántico Willow de Google supera ampliamente a las supercomputadoras actuales y resuelve en minutos tareas que de otro modo tomarían miles de millones de años. Si el avance de la tecnología y la IA se acelera, la ventaja cuántica podría llegar antes de la década de 2030, a diferencia de lo que predicen los expertos.
Los sistemas bancarios tradicionales centralizados pueden migrar más rápido a criptografía segura poscuántica mediante el congelamiento de transferencias, la reverificación de procedimientos y una transición controlada a nuevos protocolos. En cambio, en las criptomonedas descentralizadas es difícil coordinar hard forks, y al pasar a algoritmos seguros contra computadoras cuánticas, las firmas de las transacciones se vuelven más largas, lo que podría elevar mucho las comisiones y debilitar la confianza.
Si las computadoras cuánticas amenazan la criptografía actual, los activos reales como bienes raíces o índices bursátiles podrían conservar mejor su valor que los activos digitales como las criptomonedas. ¿Qué opinan?
Dices que el chip cuántico Willow de Google supera ampliamente a las supercomputadoras actuales y resuelve en minutos tareas que tomarían miles de millones de años, pero ¿de qué tipo de tarea computacional estás hablando exactamente?
Antes de traer universos paralelos a la conversación, ¿qué tal si comparamos este sistema con la enorme cantidad de partículas que hay en la naturaleza a escala macroscópica? En 1 gramo hay 10^23=2^76 partículas.
El experimento de muestreo de circuitos aleatorios de Google usó solo 67 qubits, lo cual está incluso un orden de magnitud por debajo de 76. El chip tenía 105 qubits y el experimento de corrección de errores usó 101 qubits; me pregunto por qué.
¿Será que el experimento de Google encontró problemas al intentar ejecutar muestreo de circuitos aleatorios en el dispositivo completo de 105 qubits? Antes de decir que el cálculo invocó universos paralelos, primero quisiera ver que ese cálculo no pueda explicarse como un estado codificado clásicamente en los estados de las partículas dentro del sistema.
Se siente como si hubiera una brecha enorme entre lo que ocurre realmente y lo que se puede hacer con una computadora. Con las computadoras cuánticas podría pasar lo mismo.
La razón es que ese método requiere 3-7-15-... bits, y el valor más grande que encaja es 7.
Con la corrección de errores de superficie pasa lo mismo: es simplemente el número más grande de la lista. No hace falta una teoría conspirativa, y tampoco tiene que ver con la capacidad de fabricación que determina la cantidad de qubits de un solo chip.
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Hamming_code
La afirmación de que “verificar directamente el resultado de una computadora cuántica con una computadora clásica también tomaría alrededor de 10^25 años” no tiene mucho sentido. Hay muchos problemas en los que verificar es mucho más fácil que resolver.
¿Por qué no se usa ese enfoque para verificar las afirmaciones sobre computación cuántica?
La razón por la que no lo hacen es, primero, que para llegar a tamaños máximos de problema como 10^25 hay que elegir un dominio de problemas lo más cercano posible al sustrato del dispositivo de cómputo. En muchos problemas con verificación rápida, hoy no se pueden manejar tamaños de problema impresionantemente grandes. Así como las GPU solo son realmente fuertes en algoritmos “vergonzosamente paralelos” como gráficos por computadora o álgebra lineal, este chip cuántico solo es fuerte en ciertas clases de algoritmos que no requieren demasiada coherencia.
Segundo, muchas de las aplicaciones potenciales no son fáciles de verificar, pero siguen siendo muy útiles e interesantes. Por ejemplo, pronóstico del tiempo y del clima, simulaciones de química cuántica y simulaciones nucleares del Departamento de Energía. La criptografía es una excepción bastante notable en el sentido de que produce resultados fáciles de verificar.
Mientras tanto, salvo que exista algo como esos algoritmos de prueba intermedios de los que habla Aaronson, quedará limitada a problemas de juguete. Aunque, si tales algoritmos existen, permitirían la réplica barata de que las computadoras cuánticas no tienen ventaja, lo que reduciría su valor de relaciones públicas.
[1] https://x.com/skdh/status/1866352680899104960