Cómo funciona el algoritmo Quantum Echoes de Google

El algoritmo Quantum Echoes de Google es el último avance de la compañía en computación cuántica. La investigación, publicada en Nature, asegura que este algoritmo es 13.000 veces más rápido que las supercomputadoras actuales más potentes. Esto acercaría la tecnología cuántica a aplicaciones prácticas en medicina y ciencia de los materiales en los próximos cinco años.

Conocido como Quantum Echoes, el correlador fuera de orden temporal (OTOC) es un algoritmo pionero que puede utilizarse para comprender mejor la composición estructural de sistemas naturales, como agujeros negros o moléculas. Utilizando el chip cuántico propio Google Willow, la compañía afirma que es la primera vez que las tecnologías cuánticas ejecutan un algoritmo verificable, lo que significa que el algoritmo puede obtener los mismos resultados en cualquier hardware cuántico. Este es un paso fundamental para lograr los resultados repetibles y escalables necesarios para aplicaciones prácticas, como la construcción de un motor cuántico.

El algoritmo Quantum Echoes de Google, detallado

La computación cuántica es la «próxima frontera» y las grandes compañías están en plena carrera para posicionarse en una tecnología que revolucionará nuestro mundo las próximas décadas. Y hablamos de «décadas» porque aún falta mucho tiempo para resolver los problemas inherentes a esta arquitectura que, frente a la arquitectura de la computación tradicional capaces de adoptar valores de «1» o «0» la información se almacena en qubits (bits cuánticos) que pueden adoptar simultáneamente ambos valores (superposición) y con ello, conseguir realizar cualquier tarea de computación de manera exponencialmente más rápida que los sistemas actuales.

El algoritmo Quantum Echoes de Google pretende acortar los plazos consiguiendo la verificabilidad cuántica, lo que significa que el resultado se puede repetir en un ordenador cuántico para obtener la misma respuesta y confirmar el resultado. Esta computación repetible y más allá de la clásica es la base de la verificación escalable, lo que hace que los ordenadores cuánticos estén más cerca de convertirse en herramientas para aplicaciones prácticas.

Google presentó el pasado octubre dos estudios que destacaron las capacidades avanzadas de Quantum Echoes. El primero, publicado en Nature , muestra cómo sus resultados verificables podrían tener aplicaciones en campos como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). En un segundo estudio, disponible en arXiv, investigadores de Google utilizaron estas técnicas de computación cuántica para descifrar estructuras químicas mediante lo que la compañía denomina una «regla molecular» para medir las distancias entre átomos. En conjunto, los estudios reflejan los avances de Google hacia algoritmos cuánticos viables y hardware para chips.

Anteriormente, en diciembre de 2024, la compañía lanzó su chip cuántico Willow, con la potencia computacional suficiente para completar un test de referencia en menos de cinco minutos, una prueba que al superordenador más potente del mundo le tomaría normalmente una decena de septillones de años. Y si bien estas hazañas cuánticas suelen dar lugar a afirmaciones exageradas, como la de revertir el tiempo, Google espera que su nuevo algoritmo impulse la búsqueda de aplicaciones prácticas para una de las tecnologías emergentes más innovadoras del mundo.

Cómo funciona el algoritmo Quantum Echoes

Para comprender el funcionamiento del algoritmo hay que establecer algunos principios básicos de la computación cuántica. En su forma más rudimentaria, la computación cuántica emplea las propiedades de la mecánica cuántica para resolver problemas matemáticos complejos que superan las capacidades de la computación clásica. La manera más sencilla de entenderlo es reemplazar los 0 y 1 de los sistemas de computación binaria por cúbits, o bits cuánticos, que se crean manipulando partículas cuánticas como fotones, electrones, iones atrapados, circuitos superconductores y átomos.

Como unidad básica de información en la computación cuántica, los cúbits ofrecen una ventaja única sobre el código binario al almacenar múltiples combinaciones de ceros y unos. Los cúbits pueden contener esta información en superposiciones, lo que significa que un solo cúbit representa todas sus combinaciones posibles y puede crecer exponencialmente cuando se entrelaza en estructuras de superposiciones colectivas. Estas estructuras actúan como ondas, amplificándose y anulándose entre sí en un proceso conocido como interferencia. En la computación cuántica, un usuario implementa un algoritmo para interferir con un circuito de cúbits entrelazados y superpuestos.

El Quantum Echo es un algoritmo conocido como correlador fuera de orden temporal (OTOC), que determina el estado de un qubit tras una serie de operaciones cuánticas. Mide los cambios en los valores esperados cuánticos, como la magnetización, la corriente, la densidad y la velocidad, para evaluar los niveles de caos de los sistemas cuánticos. Según Google, Quantum Echo envía una señal meticulosamente diseñada al sistema del chip Willow, donde altera un qubit antes de revertir la evolución de la señal, creando así una señal de retorno o eco.

Esta técnica es eficaz porque se beneficia de la interferencia constructiva, lo que resulta en una mayor sensibilidad. Mediante estos procesos, Google logró reducir exponencialmente la tasa de error de su sistema, obteniendo resultados por debajo del umbral, lo que significa que su algoritmo reduce los errores al aumentar el número de qubits.

Avances

El algoritmo Quantum Echoes de Google tiene importantes repercusiones para la búsqueda de la compañía por desarrollar funcionalidades de computación cuántica en el mundo real. La aplicación de esta tecnología en un experimento físico por parte del gigante tecnológico exigió que los resultados finales cumplieran con estrictos estándares de precisión y complejidad verificables. Estos avances se evidencian en el experimento conjunto de la compañía con la Universidad de California en Berkeley, donde el algoritmo Quantum Echoes proporcionó nuevos conocimientos sobre las estructuras y el comportamiento de dos moléculas.

Los resultados coincidieron con los obtenidos mediante técnicas tradicionales de Resonancia Magnética Nuclear, que mapean las estructuras moleculares a través de los espines magnéticos en el centro de los átomos. El experimento demostró cómo el algoritmo podría utilizarse para comprender mejor la compleja dinámica de estos espines magnéticos.

Según publicó el blog de la compañía, la prueba representó un paso significativo hacia un microscopio cuántico «capaz de medir fenómenos naturales previamente inobservables», análogo al telescopio o al microscopio. Estos avances podrían ser cruciales para el desarrollo de nuevos medicamentos, la ampliación de nuestra comprensión de la enfermedad de Alzheimer o la creación de nuevos materiales industriales.

Aunque la investigación se encuentra aún en fase experimental, el algoritmo apunta a un mundo donde la tecnología cuántica podría estar acercándose a cierta viabilidad. Sin embargo, los expertos advierten que Google aún tiene un largo camino por recorrer antes de que estos algoritmos encuentren aplicaciones prácticas. Actualmente, compite con gigantes como IBM, Microsoft y otros gigantes chinos para comercializar estas tecnologías.

Como mínimo, el algoritmo Quantum Echoes es una señal positiva de que avances previos en hardware cuántico, como Willow, podrían finalmente alcanzar aplicaciones prácticas, lo que promete generar importantes beneficios para la medicina y la ciencia de los materiales. De hecho, los científicos ya han comenzado a explorar cómo la computación cuántica podría ayudar a descubrir nuevos fármacos, mapear riesgos de enfermedades, mejorar los sistemas de IA e  incluso teletransportar información.