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TECNOLOGÍA. IBM desarrolla la primera computadora cuántica capaz de empacar 100 qubits

 

Las entrañas de una computadora cuántica IBM muestran la maraña de cables utilizados para controlar y leer sus qubits. Fuente: IBM


Sea como fuere, el último chip cuántico de IBM, y sus competidores, enfrentan un largo camino para hacer que las máquinas sean viables.

El chip de computación cuántica más nuevo de IBM, revelado el 15 de noviembre, marcó un hito: se empaqueta en 127 bits cuánticos (qubits), lo que lo convierte en el primer dispositivo de este tipo en alcanzar los 3 dígitos. Pero el logro es solo un paso en una agenda agresiva impulsada por miles de millones de dólares en inversiones en toda la industria.

El chip 'Eagle' es un paso hacia el objetivo de IBM de crear un procesador cuántico de 433 qubits el próximo año, seguido de uno con 1.121 qubits, llamado Condor, para 2023. Dichos objetivos se hacen eco de los que durante décadas la industria electrónica se propuso al miniaturizar los chips de silicio.

Otras empresas, incluidos los gigantes tecnológicos Google y Honeywell, y una gran cantidad de empresas de nueva creación bien financiadas, tienen planes igualmente ambiciosos. En última instancia, su objetivo es hacer que las computadoras cuánticas sean capaces de realizar ciertas tareas que están fuera del alcance incluso de las supercomputadoras más grandes que utilizan tecnología clásica.

Ventaja cuántica

Al explotar las leyes de la física cuántica para procesar información binaria, los circuitos de computación cuántica como el chip Eagle ya pueden realizar cálculos que no se pueden simular fácilmente en supercomputadoras clásicas. Google informó que logró tal 'ventaja cuántica ' en 2019 1 , utilizando qubits hechos, como los de IBM, con bucles superconductores. Un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) en Hefei informó el año pasado lograr una ventaja cuántica utilizando qubits ópticos 2 ; este año, hizo lo mismo con los qubits 3 superconductores .

Pero las tareas que se les asignaron a estas máquinas eran artificiales, advierten los investigadores. Resolver problemas del mundo real, como la simulación de moléculas o materiales de fármacos utilizando la química cuántica, requerirá que las computadoras cuánticas se vuelvan drásticamente más grandes y más poderosas.

Los expertos creen que con chips de 1.000 qubits como el planeado Condor de IBM, la tecnología podría comenzar a demostrar su valor.

 “Se espera que algunos problemas útiles e incluso comercialmente valiosos puedan resolverse utilizando computadoras cuánticas en este rango de mil a millones de qubits. Pero para hacer cosas que realmente cambien el paradigma, vas a necesitar millones de qubits físicos".

Desafíos de chips

El chip Eagle tiene casi el doble de qubits que el circuito cuántico insignia anterior de IBM, el Hummingbird de 65 qubits. El aumento requirió que el equipo resolviera varios problemas de ingeniería. 

Para permitir que cada qubit interactúe con varios otros, los investigadores optaron por una disposición en la que cada uno está vinculado a dos o tres vecinos en una cuadrícula hexagonal. Y para permitir el control individual de cada qubit sin una maraña inmanejable de cables, el equipo colocó cables y otros componentes en varios niveles apilados. Para resolver este problema de "empaquetado", los investigadores se basaron en la experiencia con arquitecturas 3D en chips convencionales. También fue crucial encontrar materiales que funcionen bien a las temperaturas ultrabajas necesarias para que funcionen los qubits superconductores.

Pero el poder de procesamiento de un circuito cuántico no se trata solo de cuántos qubits tiene. También depende de qué tan rápido operen y qué tan resistentes sean a los errores que podrían alterar un cálculo, debido, por ejemplo, a fluctuaciones aleatorias. Los expertos creen que todavía hay margen de mejora en todos estos aspectos para los qubits superconductores.

Tratar los errores es particularmente difícil, porque las leyes de la física impiden que las computadoras cuánticas utilicen los métodos de corrección de errores de las máquinas clásicas, que generalmente requieren mantener múltiples copias de cada bit.

En cambio, los investigadores apuntan a construir 'qubits lógicos', en los que casi todos los errores se pueden identificar y corregir, a partir de arreglos complicados de muchos qubits físicos. Los procedimientos propuestos hasta ahora suelen exigir que cada qubit lógico contenga alrededor de 1.000 qubits físicos, aunque esa proporción depende de la fidelidad intrínseca, la resistencia al error, de los qubits físicos.

Error de corrección

Algunos otros enfoques para construir computadoras cuánticas esperan beneficiarse de los qubits con tasas de error intrínsecas más bajas. Esa es una ventaja potencial de usar iones atrapados como qubits, como lo hace la compañía IonQ, surgida de una investigación en la Universidad de Maryland en College Park, que el mes pasado recaudó más de 600 millones de dólares cuando se convirtió en la primera empresa puramente cuántica en cotizar públicamente en la Bolsa de Valores de Nueva York, que valoró a la empresa en casi $ 2 mil millones. Rigetti Computing, una empresa de nueva creación en Berkeley, California, también salió a bolsa este año, con una valoración de 1.500 millones de dólares.

El cofundador de IonQ, Christopher Monroe, físico de la Universidad de Maryland, y sus compañeros de trabajo informaron el mes pasado un qubit lógico tolerante a fallas hecho de solo 13 qubits de iones atrapados 4 , aunque su grado de corrección de errores está  todavía está bastante lejos de lo que se necesita para una computadora cuántica útil, que necesita tasas de error lógico muy por debajo de uno en un millón.

Mientras tanto, el equipo de Google ha logrado tasas de error lógico similares utilizando 21 qubits superconductores 5 : nuevamente, “un resultado importante”, pero aún lejos de lo que se necesita para resolver el problema de la corrección de errores.

Refuerzo de señal

IBM y otros están tratando de obtener una comprensión detallada del ruido relacionado con errores en un circuito y luego extraerlo, como la cancelación de ruido para mejorar la relación señal / ruido en acústica.

Más allá de los dispositivos de nivel Condor, es probable que los diseños de circuitos se vuelvan modulares, con varios chips enlazados a través de "interconexiones cuánticas". Todavía no está claro cuál es la mejor manera de hacerlo, tal vez con las señales de frecuencia de microondas que se usan actualmente para la entrada y salida de datos a qubits superconductores, o tal vez convirtiendo la información cuántica en señales basadas en la luz. Esta es un área de investigación completamente nueva.

Muchos investigadores piensan que es probable que las primeras aplicaciones de las computadoras cuánticas en el mundo real se encuentren en campos relativamente especializados, como la simulación de moléculas y materiales, el aprendizaje automático y los problemas de optimización en industrias que incluyen las finanzas. Para llegar a esa etapa, habrá que esperar a ver una mejora gradual en el rendimiento en lugar de un salto puntual hacia adelante. Es probable que sea un largo trabajo antes de que podamos ejecutar aplicaciones útiles.

Fuentes:

1. Arute, F. et al. Nature 574 , 505–510 (2019).

2. Zhong, H.-S. et al. Science 370 , 1460–1463 (2020).

3. Wu, Y. et al. Phys. Rev. Lett. 127 , 180501 (2021).

4. Egan, L.  et al. Nature 598 , 281-286 (2021).

5. Chen, Z. et al. Nature 595 , 383–387 (2021).

6. Nature. doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-03476-5

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