IBM ha revelado un nuevo sistema modular y ultrafrío diseñado para conectar cientos de chips de computadoras cuánticas entre sí y resolver uno de los cuellos de botella más importantes de la infraestructura en este campo.
La compañía afirma que sus nuevos “refrigeradores cuánticos” permitirán entregar la primera computadora cuántica tolerante a fallos del mundo en 2029. Estos sistemas estables emplean técnicas de corrección de errores cuánticos para reparar el ruido en tiempo real y ejecutar operaciones cuánticas sin interrupciones.
Lograr la tolerancia a fallos permitiría a los científicos de la computación realizar investigaciones nuevas en una amplia gama de campos. Ya sea en química, ciencia de materiales o física teórica, los investigadores podrían realizar operaciones cuánticas mucho más allá del alcance de las supercomputadoras actuales, sin preocuparse de que errores excesivos hagan inútiles los cálculos.
Hasta ahora, uno de los mayores obstáculos entre los sistemas actuales propensos a errores y las computadoras cuánticas superconductoras tolerantes a fallos, capaces de realizar cien millones de operaciones sin fallos, ha sido la infraestructura. Representantes de IBM dicen haber resuelto este problema con sus refrigeradores cuánticos modulares e interconectados.
El nuevo sistema criogénico está compuesto por unidades individuales de 8 pies (2.4 m) de alto por 8 pies de ancho, con una capacidad interna de unas 9 pies cúbicos (0.25 m³).
Se parece a un refrigerador doméstico y funciona de manera similar, pero puede alcanzar temperaturas tan bajas como 10 milikelvin (−459.65 °F, o −273.14 °C), casi en el cero absoluto, la temperatura teórica más fría posible —lo que está más de 180 veces más frío que el espacio profundo.
Estas temperaturas extremadamente bajas son necesarias para que las Unidades de Procesamiento Cuántico superconductoras (QPUs) de IBM funcionen correctamente, y el diseño modular permite a los ingenieros ampliar las capacidades de un sistema y alimentar una etapa a la vez.
Según los representantes de IBM, este hito representa la primera vez que los científicos demuestran interconectividad entre QPUs ubicadas en módulos criogénicos separados.
Cómputo cuántico modular
Al igual que sus contrapartes clásicas, los computadores cuánticos superconductores emplean circuitos integrados, o “puertas”, para realizar las operaciones de procesamiento. Los ingenieros pueden empaquetar una cantidad finita de qubits por chip, y cada chip debe enfriarse por debajo de 15 mK (−459.64 °F, o −273.14 °C) para funcionar correctamente en la arquitectura de IBM.
Eso se debe a que los qubits son intrínsecamente ruidosos, lo que significa que son naturalmente mucho más propensos a errores que los componentes de la computación convencional. Para aprovechar las propiedades cuánticas de los metales superconductores de los qubits sin que los cálculos fallen, los científicos deben minimizar la interferencia del calor junto con otros estímulos, como las ondas electromagnéticas.
Para lograr estas temperaturas en los nuevos refrigeradores, los ingenieros emplean hardware criogénico de terceros que depende de compresores criogénicos de helio combinados con motores de refrigeración por dilución comerciales para el enfriamiento. Mantienen la protección térmica mediante cubiertas selladas al vacío, juntas contra interferencia electromagnética y escudos de calor de aislamiento multicapa de Mylar.
Se requieren más de cuatro días para que los módulos alcancen una temperatura de aproximadamente 4 K (−452.47 °F, o −269.15 °C), y poco después se produce el impulso final hacia temperaturas por debajo de 15 mK, indicaron los representantes de IBM en un comunicado.
Ampliar el alcance más allá de unos pocos cientos o miles de puertas exige más chips y más espacio. Pero los ingenieros no pueden simplemente construir un edificio gigantesco y ultrafrío e llenarlo de QPUs. Esto requeriría una cantidad enorme de infraestructura y dejaría al sistema frágil. Cada vez que un ingeniero necesitara actualizar el sistema, resolver una falla de hardware o inspeccionar los chips, tendrían que romper el sello de temperatura, lo que podría interrumpir las operaciones.
El sistema criogénico innovador de IBM supera este problema al proporcionar a los ingenieros módulos dedicados que pueden albergar un número limitado de chips. La innovación clave es la capacidad de interconectar módulos para aprovechar la potencia combinada de los procesadores cuánticos individuales. Esto se logra mediante la implementación de “acopladores en L” (L-couplers), cables superconductores de aproximadamente 1 metro de longitud.
“Normalmente, cuando realizamos operaciones cuánticas entre qubits, las hacemos en el chip”, explicó Oliver Dial, vicepresidente de operaciones cuánticas en IBM, en una conferencia de prensa el 18 de agosto. “Y por ello usamos acopladores en chip que conectan distancias muy cortas para crear entrelazamiento y permitirnos realizar puertas de dos qubits. Lo que permiten los acopladores en L es hacer la misma hazaña, pero a través de un cable superconductivo de aluminio que puede medir aproximadamente un metro. Y es realmente crítico para nosotros, porque forma la base de nuestros diseños modulares.”
Iniciando la nueva era de la tolerancia a fallos
IBM planea desplegar su nueva arquitectura criogénica modular en 2027, con sistemas a corto plazo que utilizarán entre dos y tres celdas para respaldar alrededor de 1,000 qubits en total. El objetivo es alcanzar 100 millones de puertas —o 100 millones de operaciones cuánticas en una sola sesión— para 2029 con el debut de la computadora cuántica “Starling” de IBM.
Pero primero, deberá realizar cómputos entre módulos. Hasta ahora, los científicos solo han demostrado que dos módulos criogénicos pueden interconectarse y enfriarse simultáneamente a las temperaturas de operación requeridas. Han probado estos módulos para operaciones de puertas simples con el procesador “Flamingo”, pero aún no han llevado a cabo operaciones complejas con ellos. El equipo planea instalar sus procesadores de generación actual, “Nighthawk”, en los próximos días.
“Hemos consolidado la ciencia hacia la tolerancia a fallos en la computación, y una gran parte de lo que hacemos para llegar allí ahora es ingeniería”, comentó Jerry Chow, director de tecnología de IBM para supercomputación centrada en cuántica, en la conferencia de prensa. “No se trata de un único avance para alcanzar la tolerancia a fallos. Realmente se trata de miles de pequeños logros de ingeniería que estamos demostrando en todo nuestro ecosistema, desde los procesadores, la pila de software, los controles, la infraestructura, hasta la corrección de errores que está 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 operar a temperatura ambiente, como los que emplean fotones (partículas de luz) —o incluso diamantes creados en laboratorio— como qubits.
Durante la conferencia de prensa, los representantes de IBM afirmaron que “Starling” será algún día la primera computadora cuántica tolerante a fallos del mundo. Pero si la empresa realmente alcanza esa hazaña, dado que otras compañías de computación cuántica persiguen el mismo hito, es otra historia.
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