IBM ha presentado un nuevo sistema modular y ultrafrío diseñado para conectar cientos de chips de computadoras cuánticas y así resolver uno de los mayores cuellos de botella de infraestructura en este campo. La compañía afirma que sus nuevos “refrigeradores cuánticos” le permitirán entregar el primer ordenador cuántico tolerante a fallos del mundo en 2029. Estos sistemas estables utilizan técnicas de corrección de errores cuánticos para corregir el ruido en tiempo real y ejecutar operaciones cuánticas sin interrupciones.
Lograr la tolerancia a fallos permitiría a los informáticos realizar nuevas investigaciones en una amplia gama de campos. Ya sea en química, ciencia de los materiales o física teórica, los investigadores podrían llevar a cabo operaciones cuánticas que superan con creces las capacidades de las supercomputadoras modernas, sin preocuparse por errores excesivos que invaliden los cálculos.
Hasta ahora, uno de los mayores obstáculos que separaban los sistemas actuales, propensos a errores, de las computadoras cuánticas superconductoras tolerantes a fallos, capaces de realizar cien millones de operaciones sin errores, era la infraestructura. Representantes de IBM afirman haber resuelto este problema con sus refrigeradores cuánticos modulares e interconectados. El nuevo sistema criogénico consta de unidades individuales que miden 2,4 metros de alto por 2,4 metros de ancho, con una capacidad interna de aproximadamente 0,25 metros cúbicos.
Parece un refrigerador doméstico y funciona de manera similar, pero puede alcanzar temperaturas tan bajas como 10 milikelvin (-273,14°C), cerca del cero absoluto, la temperatura teórica más fría posible, que es más de 180 veces más fría que el espacio profundo. Estas temperaturas extremadamente bajas son necesarias para que las unidades de procesamiento cuántico superconductoras (QPU) de IBM funcionen correctamente, y el diseño modular permite a los ingenieros ampliar las capacidades y la potencia de un sistema etapa por etapa. Según representantes de IBM, este hito representa la primera vez que los científicos han demostrado la interconectividad entre unidades de procesamiento cuantitativo (QPU) entre módulos criogénicos separados.
Computación cuántica modular
Al igual que sus contrapartes de computación clásica, las computadoras cuánticas superconductoras utilizan circuitos integrados, o “puertas“, para realizar operaciones de procesamiento. Sin embargo, los ingenieros pueden integrar un número finito de cúbits por chip, y cada chip debe enfriarse a menos de 15 mK (-273,14°C) para funcionar correctamente en la arquitectura de IBM.
Esto se debe a que los cúbits son inherentemente ruidosos, lo que significa que son mucho más propensos a errores que los componentes informáticos convencionales. Para aprovechar las propiedades cuánticas de los metales superconductores de los cúbits sin que fallen los cálculos, los científicos deben minimizar la interferencia del calor, junto con otros estímulos, como las ondas electromagnéticas.
Para alcanzar estas temperaturas en los nuevos refrigeradores, los ingenieros utilizan equipos criogénicos de terceros que emplean compresores criogénicos de helio junto con motores de refrigeración por dilución comerciales. Mantienen la protección térmica mediante recintos sellados al vacío, juntas de interferencia electromagnética y escudos térmicos de superaislamiento de Mylar multicapa.
Según informaron representantes de IBM en un comunicado, los módulos tardan más de cuatro días en alcanzar una temperatura de aproximadamente 4 K (-269,15°C), y poco después se produce el impulso final para alcanzar temperaturas inferiores a 15 mK. Ampliar el sistema más allá de unos cientos o miles de puertas lógicas requiere más chips y más espacio. Pero los ingenieros no pueden simplemente construir un edificio gigante y ultracongelado y llenarlo de unidades de procesamiento cuasi-computadora (QPU). Esto requeriría una infraestructura enorme y dejaría el sistema vulnerable. Cada vez que un ingeniero necesitara actualizar el sistema, solucionar un fallo de hardware o inspeccionar los chips, tendría que romper el sello de temperatura, lo que podría interrumpir las operaciones.
El revolucionario sistema criogénico de IBM supera este problema al proporcionar a los ingenieros módulos dedicados que pueden albergar un número limitado de chips. La innovación clave reside en la capacidad de interconectar los módulos para aprovechar la potencia combinada de los procesadores cuánticos individuales. Esto se logra mediante la implementación de acopladores en L, cables superconductores de aproximadamente 1 metro de longitud.
“Normalmente, cuando realizamos operaciones cuánticas entre cúbits, las hacemos en el chip”, explicó Oliver Dial, vicepresidente de operaciones cuánticas de IBM, en una conferencia de prensa el 18 de agosto. “Por eso usamos acopladores en el chip que cubren distancias muy cortas para crear entrelazamiento y así poder realizar compuertas de dos cúbits. Los acopladores en L nos permiten lograr lo mismo, pero a través de un cable superconductor de aluminio que puede tener hasta un metro de longitud. Esto es fundamental para nosotros, ya que constituye la base de nuestros diseños modulares”.
Dando paso a la nueva era de la tolerancia a fallos
IBM tiene previsto desplegar su nueva arquitectura criogénica modular en 2027, con sistemas a corto plazo que utilizarán de dos a tres celdas y soportarán alrededor de 1000 cúbits en total. El objetivo es alcanzar los 100 millones de puertas lógicas —o 100 millones de operaciones cuánticas en una sola sesión— para 2029 con el lanzamiento del ordenador cuántico “Starling” de IBM.
Pero primero, será necesario realizar cálculos entre los módulos. Hasta ahora, los científicos solo han demostrado que dos módulos criogénicos pueden interconectarse y enfriarse simultáneamente a las temperaturas de funcionamiento requeridas. Probaron los módulos con operaciones de puerta lógica simples utilizando el procesador “Flamingo”, pero aún no han realizado operaciones complejas con ellos. El equipo tiene previsto instalar sus procesadores “Nighthawk” de última generación en los próximos días.
“Hemos perfeccionado la ciencia para lograr la tolerancia a fallos en la computación, y… gran parte de lo que estamos haciendo para conseguirlo ahora es ingeniería”, dijo Jerry Chow, director de tecnología de supercomputación cuántica de IBM, en la conferencia de prensa. “No se trata de un único avance para lograr la tolerancia a fallos. Se trata, en realidad, de miles de pequeñas proezas de ingeniería que estamos demostrando en todo nuestro ecosistema, desde los procesadores hasta el software, los controles, la infraestructura y la corrección de errores que se encuentra en la parte superior”.
Actualmente, los laboratorios de computación cuántica utilizan otros sistemas criogénicos independientes, y se están diseñando otros sistemas de computación cuántica para que funcionen a temperatura ambiente, como aquellos que utilizan fotones (partículas de luz) —o incluso diamantes creados en laboratorio— como cúbits. Durante la rueda de prensa, los representantes de IBM afirmaron que “Starling” se convertirá algún día en la primera computadora cuántica tolerante a fallos del mundo. Sin embargo, si la compañía logrará realmente esta hazaña, dado que otras empresas de computación cuántica persiguen el mismo objetivo, es otra cuestión.
Fuente: Live Science.
