Así funciona el primer computador cuántico que no puede ni simularse con un ordenador convencional

La carrera cuántica está que arde. Y si no que se lo digan a IBM, que tenía planeado un importante anuncio en estas lides para este martes, pero le ardía en las manos y acabó lanzándolo, por sorpresa, un día antes. 

La relevancia del lanzamiento está fuera de cualquier duda: el Gigante Azul ha creado un procesador cuántico de 127 cúbits, de nombre en clave 'Eagle'. Quizás hasta aquí la noticia no parezca tan especial, en tanto que otros competidores han lanzado computadores cuánticos con números similares. Pero hay una clave que obvian en muchos de esos casos: el aumento de cúbits suele llevar aparejada una pérdida de calidad de los mismos.

Así lo explican en D+I el español Ignacio Cirac e Inmanuel Bloch, investigadores del Instituto Max Planck, los pioneros de la ciencia cuántica. Se trata de una de esas peculiaridades de esta nueva era en la que la física goza de gran protagonismo en la informática.

En el caso del procesador cuántico de IBM, este problema parece resuelto. ¿Cómo han logrado equilibrar la potencia a medida que escalan estos sistemas? La respuesta llega desde el diseño de la disposición de los cúbits para reducir los errores y una nueva arquitectura para reducir el número de componentes necesarios. Además, las nuevas técnicas empleadas en 'Eagle' colocan el cableado de control en varios niveles físicos dentro del procesador y mantienen los cúbits en una sola capa, lo que permite un aumento significativo de los cúbits, manteniendo un alto nivel de calidad.

Como decimos, 'Eagle' (ya disponible desde la nube pública de la casa) es el primer procesador cuántico de IBM desarrollado y desplegado para contener más de 100 cúbits operativos y conectados. Sigue al procesador "Hummingbird" de 65 cúbits de IBM presentado en 2020 y al procesador "Falcon" de 27 cúbits presentado en 2019. 

Imposible de simular por un computador convencional

Más allá del número de cúbits, lo más llamativo del nuevo procesador ideado por el equipo del español Darío Gil es que es el primer equipo cuántico cuyo rendimiento es imposible de simular por un ordenador clásico.

De hecho, el número de bits clásicos necesarios para representar un estado en el procesador de 127 cúbits supera el número total de átomos de los más de 7.500 millones de personas que viven actualmente.

IBM Quantum System One IBM Omicrono

IBM mide el progreso del hardware de computación cuántica a través de tres atributos de rendimiento: escala, calidad y velocidad. La escala se mide por el número de cúbits de un procesador cuántico y determina la magnitud del circuito cuántico que puede ejecutarse. La calidad se mide por el volumen cuántico y describe la precisión con la que se ejecutan los circuitos cuánticos en el hardware real. La velocidad se mide por CLOPS (Circuit Layer Operations Per Second), una métrica que el Gigante Azul introdujo en noviembre de 2021, y captura la viabilidad de ejecutar cálculos reales compuestos por un gran número de circuitos cuánticos.

IBM Quantum System Two

El nuevo procesador cuántico de IBM será el núcleo central de la próxima generación de ordenadores cuánticos de esta firma, el Quantum System Two, diseñado incluso para funcionar con los futuros procesadores de 433 y 1.121 cúbits.

La principal mejora de esta generación radica en dotar al hardware de control de la flexibilidad y los recursos necesarios para ampliarse. Estos recursos incluyen la electrónica de control, que permite a los usuarios manipular los cúbits, y la refrigeración criogénica, que mantiene los cúbits a una temperatura lo suficientemente baja como para que se manifiesten sus propiedades cuánticas.

IBM Q, uno de los equipos de computación cuántica de la compañía.

En ese sentido, IBM Quantum System Two incorporará una nueva generación de electrónica de control de cúbits escalable junto con componentes criogénicos y cableado de mayor densidad. Además, IBM Quantum System Two introduce una nueva plataforma criogénica, diseñada en colaboración con Bluefors Cryogenics, que presenta una huella hexagonal para maximizar el espacio destinado al hardware de apoyo que requieren los procesadores de mayor tamaño, al tiempo que garantiza que los ingenieros puedan acceder fácilmente al hardware y realizar su mantenimiento.

Además, el nuevo diseño ofrece la posibilidad de enlazar varios sistemas para proporcionar un espacio de trabajo criogénico compartido más amplio, lo que finalmente llevaría a la posible conexión de varios procesadores cuánticos.
Se espera que el primer IBM Quantum System Two esté en funcionamiento en 2023 en la sede de IBM Research en Yorktown Heights, Nueva York. 

El elevado número de cúbits permitirá a los usuarios explorar problemas con un nuevo nivel de complejidad a la hora de realizar experimentos y ejecutar aplicaciones, como la optimización del machine learning o el modelado de nuevas moléculas y materiales para su uso en áreas que van desde la industria energética hasta el proceso de descubrimiento de fármacos.