El ordenador cuántico de Google logra ver el orden oculto en el caos
Entre millones de cúbits vibrando al borde del caos, los físicos de Google han encontrado un patrón oculto de orden. El hallazgo sugiere que el universo cuántico guarda una memoria incluso en su aparente desorden.
Por Enrique Coperías
El nuevo chip cuántico Willow, de Google, cuenta con 105 qubits y ha completado en menos de cinco minutos un cálculo que a un superordenador le llevaría hasta 25 años. Cortesía: Google
Una de las promesas de la física cuántica es desarrollar un tipo de cálculo cuántico capaz de resolver problemas imposibles para los ordenadores clásicos. Pero ese compromiso siempre tropezó con un obstáculo invisible: el caos cuántico. En los sistemas cuánticos de muchos cuerpos —átomos, electrones o cúbits—, la información se esparce tan rápido y de manera tan compleja que resulta casi imposible seguirle la pista.
Ahora, el equipo del Google Quantum AI, una iniciativa conjunta de la NASA, la Asociación de Investigación Espacial de Universidades y Google Research, ha dado un paso importante para domesticar ese caos. En un artículo publicado en Nature, los investigadores describen cómo observaron un fenómeno de interferencia constructiva en el borde de lo que llaman la ergodicidad cuántica. Se trata del punto en el que un sistema deja de comportarse de manera predecible y se sumerge en el desorden absoluto.
El hallazgo no solo ilumina un aspecto fundamental del comportamiento cuántico, sino que sugiere un camino realista hacia la supremacía o ventaja cuántica, el momento en que un ordenador cuántico supere de forma útil a cualquier supercomputador convencional.
Cómo escuchar el eco del caos: los correladores cuánticos OTOC
La dinámica de los sistemas cuánticos con muchos cuerpos (many-body systems) es una de las fronteras más enigmáticas de la física moderna. A medida que los cúbits se entrelazan, su evolución se vuelve tan compleja que los observables cuánticos pierden sensibilidad a los detalles microscópicos. Es lo que los físicos llaman ergodicidad: el sistema olvida su estado inicial y se vuelve estadísticamente homogéneo.
En la práctica, esto significa que, tras un tiempo, el caos cuántico borra las huellas de cómo empezó la historia. Pero los científicos han ideado una estrategia para retroceder ese proceso: hacer retroceder el tiempo cuántico. Utilizando secuencias de reversión temporal, pueden reconstruir la evolución de un sistema y medir correlaciones que de otro modo estarían perdidas. En el lenguaje técnico, se trata de medir los llamados correladores fuera de orden temporal u OTOC (Out-of-Time-Order Correlators).
En este trabajo, el equipo de Google llevó esa idea un paso más allá, midiendo los OTOC de segundo orden (OTOC(2)) en un procesador cuántico de superconductores. Estos correladores actúan como un interferómetro temporal, un dispositivo capaz de revelar cómo las trayectorias cuánticas se superponen y se interfieren unas con otras.
Lo que encontraron fue sorprendente. Incluso cuando el sistema parecía completamente caótico, persistía una interferencia constructiva entre ciertas trayectorias cuánticas, una especie de eco coherente en medio del ruido.
Interferencias cuánticas en el tiempo: el experimento con el procesador Willow
El experimento se llevó a cabo con un procesador cuántico superconductivo de 105 cúbits, de los cuales 103 estaban operativos. Los investigadores programaron una serie de circuitos cuánticos aleatorios, combinando puertas cuánticas de un solo cúbit con acoplamientos de dos cúbits de tipo iSWAP.
En cada circuito, eligieron dos cúbits —uno para medir (qm) y otro para interactuar (qb)—, y aplicaron una secuencia de operaciones que incluía avanzar, invertir y volver a avanzar la evolución temporal. Esa repetición genera un patrón de interferencia cuántica en el que cada trayectoria puede reforzar o anular a las demás, de forma similar a los haces de luz en un experimento óptico clásico.
Al analizar los datos, descubrieron que los OTOC(2) se mantenían sensibles a los detalles del sistema incluso en escalas de tiempo largas, cuando otros observables cuánticos ya habían olvidado su origen. Esa sensibilidad no decaía de manera exponencial, como cabría esperar en un sistema caótico, sino algebraicamente. Una pista clara de que la interferencia cuántica seguía viva.
La metáfora óptica resulta útil: si un interferómetro de luz necesita dos haces que viajen por caminos distintos, los OTOC generan algo parecido pero en el espacio de las operaciones cuánticas. Cada reversión temporal añade un brazo al interferómetro, y los investigadores pueden modificar sus fases insertando operadores de Pauli, como pequeñas lentes que cambian el signo de ciertas trayectorias.
Cuando introdujeron esas perturbaciones, el resultado fue inequívoco, pues el OTOC(2) cambió drásticamente, señal de que en su interior se estaba produciendo interferencia constructiva entre rutas cuánticas complejas, un fenómeno invisible para observables más simples.
Bucles grandes y simulaciones imposibles
Para entender de dónde surge esa interferencia, los autores introducen la idea de los bucles grandes en el espacio de operadores de Pauli. A medida que el sistema evoluciona, los operadores se expanden en una combinación de miles de “cadenas” de Pauli, y algunas de ellas vuelven a encontrarse formando bucles.
Cuando esas trayectorias se combinan de manera coherente, generan interferencias cuánticas que amplifican o cancelan señales, un mecanismo análogo al de una orquesta cuántica tocando a distintas fases.
El problema —y también la oportunidad— es que estos bucles grandes son inaccesibles para la simulación clásica. Los algoritmos tradicionales pueden aproximar bien las interferencias pequeñas, pero fallan estrepitosamente cuando intentan reproducir las grandes.
En el estudio, el equipo comparó sus mediciones con dos tipos de simulaciones clásicas: un modelo exacto y un método heurístico llamado cached Monte Carlo. Para los casos sencillos, las simulaciones coincidían de manera razonable con los datos experimentales. Pero en el caso del OTOC(2) y, sobre todo, en su componente fuera de la diagonal, el desacuerdo era radical: el ordenador cuántico ofrecía una precisión muy superior.
El resultado implica que los OTOC(2) poseen una complejidad cuántica intrínseca que desafía los límites de la computación clásica. Dicho de otro modo, medirlos equivale a realizar una tarea que ya se encuentra más allá de la capacidad de los supercomputadores más potentes.
Sobre estas líneas, Frontier u OLCF-5, una supercomputador ubicada en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge, en Estados Unidos. Con 65 cúbits y 23 ciclos de puertas cuánticas, el chip de Google ejecutó en horas un cálculo que Frontier, la computadora más potente del mundo, necesitaría más de tres años para reproducir, marcando un hito en el rendimiento cuántico.
Más allá del límite clásico: Google vs. Frontier
Para demostrarlo de forma cuantitativa, el grupo realizó un experimento con 65 cúbits y 23 ciclos de puertas cuánticas, un tamaño de sistema que coloca el cálculo en el borde mismo de la simulación cuántica clásica.
El análisis mostró que reproducir esas mediciones en el superordenador Frontier —el más potente del mundo— mediante técnicas de tensor network contraction requeriría unos 3,2 años de cálculo continuo, frente a las dos horas de medición real en el procesador cuántico de Google. Esa diferencia de 13.000 veces en tiempo de cómputo sitúa la experiencia firmemente en el llamado régimen más allá de lo clásico.
El equipo midió la calidad de sus resultados usando la relación señal/ruido (SNR) y comprobó que se mantenía por encima de 2, suficiente para considerar los datos fiables. Además, la precisión apenas disminuía al aumentar el número de qubits, una señal de robustez experimental.
En palabras de los autores del artículo, los OTOC(2) se sitúan en la zona de Ricitos de Oro de la ventaja cuántica: observables que pueden medirse con suficiente exactitud en un procesador cuántico, pero que son intratables por métodos clásicos incluso aproximados.
Aplicación práctica: aprender hamiltonianos con ordenadores cuánticos
Más allá del logro conceptual, los autores demostraron una aplicación práctica de su método en lo que llaman aprendizaje de hamiltonianos. En la física cuántica, el hamiltoniano es la ecuación que describe toda la energía y dinámica de un sistema. Pero en muchos casos reales —por ejemplo, materiales cuánticos o moléculas complejas— sus parámetros son desconocidos.
El nuevo enfoque consiste en comparar los OTOC(2) medidos en un sistema físico (o simulado) con los obtenidos en un modelo teórico ajustable. Al variar los parámetros del modelo hasta que ambos coincidan, es posible aprender los valores reales del hamiltoniano subyacente.
Para probar la idea, el equipo generó un conjunto de circuitos con un parámetro desconocido: la fase de una puerta de dos cúbis. Midiendo los OTOC(2) mientras ajustaban ese parámetro, lograron recuperar el valor correcto con notable precisión. En esencia, el procesador cuántico actuó como un laboratorio de aprendizaje automático físico, capaz de ajustar un modelo a partir de interferencias cuánticas reales.
Hacia la ventaja cuántica práctica
El concepto de ventaja cuántica —el momento en que un ordenador cuántico hace algo que uno clásico no puede— ha pasado de ser un eslogan a un terreno de competencia científica. Google ya proclamó en 2019 haber alcanzado la supremacía cuántica al generar números aleatorios imposibles de reproducir. Pero esa demostración era más una prueba técnica que una utilidad práctica.
El nuevo trabajo apunta a algo diferente: un tipo de ventaja cuántica útil, basada en la capacidad de los procesadores cuánticos para explorar dinámicas que revelan información científica, no solo producir resultados inverificables.
Los autores de la investigación reconocen que sus circuitos siguen siendo un modelo simplificado, pero subrayan que la misma técnica podría aplicarse a sistemas físicos reales, como los experimentos de resonancia magnética nuclear en sólidos, donde las interacciones entre espines son difíciles de medir directamente.
Comparar los OTOC(2) experimentales de esos sistemas con los simulados en un procesador cuántico permitiría determinar sus parámetros con una precisión sin precedentes.
El eco del futuro cuántico
En última instancia, lo que Google Quantum AI y sus colaboradores han observado es que incluso en el caos absoluto, la física cuántica conserva memoria de sí misma. Esa interferencia constructiva, escondida en los OTOC(2), demuestra que las correlaciones más profundas del mundo cuántico pueden medirse, controlarse y utilizarse.
El trabajo no resuelve todos los retos que quedan por delante —como la corrección de errores cuánticos o la escalabilidad—, pero marca un hito: por primera vez, una medición cuántica ha mostrado simultáneamente alta sensibilidad física y complejidad inabordable para los ordenadores clásicos.
En otras palabras, el ordenador cuántico de Google no solo ha visto el eco del caos: ha empezado a hablar su idioma. ▪️
Información facilitada por Google Quantum AI
Fuente: Google Quantum AI and Collaborators. Observation of constructive interference at the edge of quantum ergodicity. Nature. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09526-6
