Nuestro nuevo chip demuestra corrección de errores y rendimiento que allana el camino hacia una computadora cuántica útil y a gran escala.
Hoy tengo el placer de anunciar Willow, nuestro último chip cuántico. Willow tiene un rendimiento de vanguardia en una serie de métricas, lo que permite dos logros importantes.
- La primera es que Willow puede reducir los errores exponencialmente a medida que aumentamos la escala utilizando más cúbits. Esto resuelve un desafío clave en la corrección de errores cuánticos que el campo ha perseguido durante casi 30 años.
- En segundo lugar, Willow realizó un cálculo de referencia estándar en menos de cinco minutos que le tomaría a una de las supercomputadoras más rápidas de la actualidad 10 septillones (es decir, 10 25 ) de años, un número que excede ampliamente la edad del Universo.
El chip Willow es un gran paso 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 a gran escala que pudiera aprovechar la mecánica cuántica (el «sistema operativo» de la naturaleza en la medida en que la conocemos hoy) para beneficiar a la sociedad mediante el avance del descubrimiento científico, el desarrollo de aplicaciones útiles y la solución de 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://www.youtube-nocookie.com/embed/W7ppd_RY-UE?enablejsapi=1&origin=https%3A%2F%2Fblog.google&widgetid=1
Un vídeo con el director de Quantum Hardware, Julian Kelly, presentando a Willow y sus innovadores logros
Corrección de error cuántico exponencial: ¡por debajo del umbral!
Los errores son uno de los mayores desafíos en la computación cuántica, ya que los qubits, las unidades de computación en las computadoras cuánticas, tienen una tendencia a intercambiar información rápidamente con su entorno, lo que dificulta la protección de la información necesaria para completar un cálculo. Por lo general, cuantos más qubits se utilicen, más errores se producirán y el sistema se volverá clásico.
Hoy, en Nature , publicamos resultados que muestran que cuantos más qubits utilizamos en Willow, más reducimos los errores y más cuántico se vuelve el sistema . Probamos matrices cada vez más grandes de qubits físicos, escalando desde una cuadrícula de 3×3 qubits codificados, a una cuadrícula de 5×5, a una cuadrícula de 7×7, y cada vez, utilizando nuestros últimos avances en corrección de errores cuánticos, pudimos reducir la tasa de error a la mitad. En otras palabras, logramos una reducción exponencial en la tasa de error. Este logro histórico se conoce en el campo como “por debajo del umbral”: poder reducir los errores mientras se aumenta la cantidad de qubits. Debe demostrar que está por debajo del umbral para mostrar un progreso real en la corrección de errores, y este ha sido un desafío sobresaliente desde que Peter Shor introdujo la corrección de errores cuánticos en 1995.
Este resultado también implica otros “primeros” científicos. Por ejemplo, también es uno de los primeros ejemplos convincentes de corrección de errores en tiempo real en un sistema cuántico superconductor, algo crucial para cualquier cálculo útil, porque si no se pueden corregir los errores con la suficiente rapidez, arruinan el cálculo antes de que esté terminado. Y es una demostración “más allá del punto de equilibrio”, en la que nuestras matrices de cúbits tienen una vida útil más larga que los cúbits físicos individuales, una señal infalible de que la corrección de errores está mejorando el sistema en general.
Como primer sistema que no supera el umbral, este es el prototipo más convincente de un cúbit lógico escalable construido hasta la fecha. Es una clara señal de que es posible construir ordenadores cuánticos útiles y de gran tamaño. Willow nos acerca a la ejecución de algoritmos prácticos y comercialmente relevantes que no se pueden replicar en ordenadores convencionales.
10 septillones de años en una de las supercomputadoras más rápidas de la actualidad
Como medida del rendimiento de Willow, utilizamos el benchmark de muestreo aleatorio de circuitos (RCS) . Nuestro equipo fue pionero y ahora se usa ampliamente como estándar en el campo. El RCS es el benchmark más difícil que se puede hacer en un ordenador cuántico en la actualidad. Se puede pensar en esto como un punto de entrada para la computación cuántica: verifica si un ordenador cuántico está haciendo algo que no se podría hacer en un ordenador clásico. Cualquier equipo que construya un ordenador cuántico debería comprobar primero si puede superar a los ordenadores clásicos en RCS; de lo contrario, hay fuertes razones para el escepticismo sobre si puede abordar tareas cuánticas más complejas. Hemos utilizado constantemente este benchmark para evaluar el progreso de una generación de chip a la siguiente: informamos de los resultados de Sycamore en octubre de 2019 y nuevamente recientemente en octubre de 2024 .
El desempeño de Willow en esta prueba es asombroso: realizó un cálculo en menos de cinco minutos que le llevaría a una de las supercomputadoras más rápidas de la actualidad 10 25 o 10 septillones de años. Si lo queremos escribir, son 10.000.000.000.000.000.000.000.000 años. Esta cifra alucinante supera las escalas de tiempo conocidas en física y supera ampliamente la edad del universo. Da credibilidad a la idea 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 para Willow, como se muestra en el gráfico a continuación, son los mejores hasta ahora, pero continuaremos progresando.
Los costos computacionales están fuertemente influenciados por la memoria disponible. Por lo tanto, nuestras estimaciones consideran una variedad de escenarios, desde una situación ideal con memoria ilimitada (▲) hasta una implementación más práctica y vergonzosamente paralelizable en GPU (⬤).
Nuestra evaluación de cómo Willow supera a una de las supercomputadoras clásicas más poderosas del mundo, Frontier , se basó en suposiciones conservadoras. Por ejemplo, asumimos acceso total al almacenamiento secundario, es decir, discos duros, sin ninguna sobrecarga de ancho de banda, una asignación generosa y poco realista para Frontier. Por supuesto, como sucedió después de que anunciamos el primer cómputo más allá de lo clásico en 2019 , esperamos que las computadoras clásicas sigan mejorando en este punto de referencia, pero la brecha que crece rápidamente muestra que los procesadores cuánticos se están despegando a un ritmo exponencial doble y continuarán superando ampliamente a las computadoras clásicas a medida que escalamos.
https://www.youtube-nocookie.com/embed/l_KrC1mzd0g?enablejsapi=1&origin=https%3A%2F%2Fblog.google&widgetid=2
Un video con el científico principal Sergio Boixo, el fundador y líder Hartmut Neven y el reconocido físico John Preskill discutiendo el muestreo de circuitos aleatorios, un punto de referencia que demuestra un rendimiento más allá del clásico en las computadoras cuánticas.
Rendimiento de última generación
Willow se fabricó en nuestras nuevas instalaciones de fabricación de última generación en Santa Bárbara, una de las pocas instalaciones en el mundo construidas desde cero para este propósito. La ingeniería de sistemas es clave al diseñar y fabricar chips cuánticos: todos los componentes de un chip, como las puertas de uno o dos cúbits, el reinicio de cúbits y la lectura, deben estar bien diseñados e integrados simultáneamente. Si algún componente se retrasa o si dos componentes no funcionan bien juntos, se reduce el rendimiento del sistema. Por lo tanto, maximizar el rendimiento del sistema informa todos los aspectos de nuestro proceso, desde la arquitectura y la fabricación del chip 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 centramos en la calidad, no solo en la cantidad, porque producir una mayor cantidad de cúbits no sirve de nada si no son de la suficiente calidad. Con 105 cúbits, Willow ahora tiene el mejor rendimiento de su clase en los dos puntos de referencia del sistema que se analizaron anteriormente: corrección de errores cuánticos y muestreo aleatorio de circuitos. Estos puntos de referencia algorítmicos son la mejor manera de medir el rendimiento general del chip. También son importantes otras métricas de rendimiento más específicas; por ejemplo, nuestros tiempos T 1 , que miden cuánto tiempo los cúbits pueden retener una excitación (el recurso computacional cuántico clave), ahora se acercan a los 100 µs (microsegundos). Esta es una mejora impresionante de aproximadamente 5 veces con respecto a nuestra generación anterior de chips. Si desea evaluar el hardware cuántico y compararlo entre plataformas, aquí tiene una tabla de especificaciones clave:
Rendimiento de Willow en una serie de métricas.
¿Qué sigue con Willow y más allá?
El próximo reto para este campo es demostrar un primer cálculo «útil, más allá de lo clásico» en los chips cuánticos actuales que sea relevante para una aplicación en el mundo real. Somos optimistas en cuanto a que la generación de chips Willow puede ayudarnos a lograr este objetivo. Hasta ahora, ha habido dos tipos de experimentos separados. Por un lado, hemos ejecutado el benchmark RCS, que mide el rendimiento en comparación con los ordenadores clásicos pero que no tiene aplicaciones en el mundo real conocidas. Por otro lado, hemos realizado simulaciones científicamente interesantes de sistemas cuánticos, que han llevado a nuevos descubrimientos científicos pero que todavía están al alcance de los ordenadores clásicos. Nuestro objetivo es hacer ambas cosas al mismo tiempo: entrar en el ámbito de los algoritmos que están más allá del alcance de los ordenadores clásicos y que son útiles para problemas comerciales del mundo real.
El muestreo de circuitos aleatorios (RCS), si bien supone un gran desafío para las computadoras clásicas, aún debe demostrar aplicaciones comerciales prácticas.
Invitamos a investigadores, ingenieros y desarrolladores a unirse a nosotros en este viaje consultando nuestro software de código abierto y recursos educativos, incluido nuestro nuevo curso en Coursera , donde los desarrolladores pueden aprender los conceptos básicos 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 abandoné el floreciente campo de la IA para centrarme en la computación cuántica. Mi respuesta es que ambas demostrarán ser las tecnologías más transformadoras de nuestro tiempo, pero la IA avanzada se beneficiará significativamente del acceso a la computación cuántica. Por eso bauticé nuestro laboratorio como IA cuántica. Los algoritmos cuánticos tienen leyes de escalado fundamentales de su lado, como estamos viendo con RCS. Existen ventajas de escalado similares para muchas tareas computacionales fundamentales que son esenciales para la IA. Por lo tanto, la computación cuántica será indispensable para recopilar 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 automóviles eléctricos y acelerar el progreso en la fusión y nuevas alternativas energéticas. Muchas de estas futuras aplicaciones que cambiarán las reglas del juego no serán factibles en computadoras clásicas; están esperando a ser desbloqueadas con la computación cuántica. Google Blog. Traducido al español
Contacto