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ODS8. La hoja de ruta de IBM para escalar la tecnología cuántica

Jay Gambetta, IBM Fellow y VP de IBM Quantum

 

16-09-2020

En 1969, los humanos superaron obstáculos tecnológicos sin precedentes para hacer historia: pusimos a dos de nuestra especie en la Luna y los devolvimos a salvo. Las computadoras de hoy son capaces, pero sin duda están orientadas hacia la Tierra cuando se trata de captar con precisión los detalles más finos de nuestro universo. Construir un dispositivo que realmente capte el comportamiento de los átomos, y pueda aprovechar ese comportamiento para resolver algunos de los problemas más desafiantes de nuestro tiempo, puede parecer imposible si nos limitamos a pensar en el mundo computacional que conocemos. Pero al igual que con la llegada a la Luna, nuestro objetivo final es acceder a una dimensión que está más allá de lo que es posible hacer con computadoras clásicas: queremos construir una computadora cuántica a gran escala. La computadora cuántica del futuro relevará a las computadoras clásicas en donde fallan, controlando el comportamiento de los átomos para ejecutar aplicaciones revolucionarias en todas las industrias, que permitan generar materiales que cambiarán el mundo o transformar la forma en que hacemos negocios.
 
Hoy, publicamos la hoja de ruta que creemos que nos llevará de los ruidosos dispositivos de pequeña escala de la actualidad a los dispositivos de más de un millón de qubits del futuro. Nuestro equipo está desarrollando un conjunto de procesadores escalables, cada vez más grandes y mejores, con un dispositivo de más de 1000 qubits, llamado IBM Quantum Condor, apuntando a finales de 2023. Para dar cabida a dispositivos aún más masivos más allá de Condor, estamos desarrollando un refrigerador de dilución más grande que cualquiera disponible comercialmente en la actualidad. Esta hoja de ruta nos encamina hacia los procesadores de más de un millón de qubits del futuro, gracias a conocimiento líder en la industria, equipos multidisciplinarios y la metodología ágil que mejora cada elemento de estos sistemas. Mientras tanto, nuestra hoja de ruta de hardware es el eje de una misión más grande: diseñar una computadora cuántica full-stack, implementada a través de la nube, que cualquier persona en todo el mundo pueda programar.

El equipo de IBM Quantum construye procesadores cuánticos, es decir, procesadores de computación que se basan en las matemáticas de las partículas elementales para expandir nuestras capacidades computacionales, que ejecutan circuitos cuánticos en lugar de los circuitos lógicos de las computadoras digitales. Representamos datos utilizando los estados cuánticos electrónicos de átomos artificiales conocidos como qubits transmon superconductores, que están conectados y manipulados por secuencias de pulsos de microondas para permitir el funcionamiento de esos circuitos. Pero los qubits olvidan rápidamente sus estados cuánticos debido a la interacción con el mundo exterior. El mayor desafío que enfrenta nuestro equipo hoy es descubrir cómo controlar grandes sistemas de estos qubits durante el tiempo suficiente y minimizando los errores lo suficiente como para ejecutar los circuitos cuánticos complejos requeridos por las futuras aplicaciones cuánticas

IBM viene explorando los qubits superconductores desde mediados de la década de 2000, y viene aumentando los tiempos de coherencia y disminuyendo los errores para habilitar dispositivos multi-qubits desde principios de la década de 2010. Los refinamientos y avances continuos en todos los niveles del sistema, desde los qubits hasta el compilador, nos permitieron poner la primera computadora cuántica en la nube en 2016. Estamos orgullosos de nuestro trabajo. Hoy, mantenemos más de dos docenas de sistemas estables en IBM Cloud para que nuestros clientes y el público en general experimenten, incluidos nuestros procesadores IBM Quantum Canary de 5 qubits y nuestros procesadores IBM Quantum Falcon de 27 qubits, en uno de los cuales recientemente se ejecutó un circuito cuántico lo suficientemente largo como para declarar un Volumen Cuántico de 64. Este logro no fue una cuestión de construir más qubits; en su lugar, incorporamos mejoras al compilador, refinamos la calibración de las puertas de dos qubits y publicamos actualizaciones para la gestión y la lectura del ruido sobre la base de ajustes a los pulsos de microondas. Detrás de todo eso se encuentra el hardware con métricas de dispositivos líderes en el mundo fabricadas con procesos únicos para permitir un rendimiento confiable.

En paralelo a nuestros esfuerzos por mejorar nuestros dispositivos más pequeños, también estamos incorporando las muchas lecciones aprendidas en una hoja de ruta ambiciosa para escalar a sistemas más grandes. De hecho, este mes lanzamos silenciosamente nuestro procesador IBM Quantum Hummingbird de 65 qubits, para los miembros de nuestra IBM Q Network. Este dispositivo cuenta con multiplexación de lectura 8:1, lo que significa que combinamos señales de lectura de ocho qubits en 1, reduciendo la cantidad total de cableado y componentes requeridos para la lectura y mejorando nuestra capacidad de escalar, al tiempo que preservamos todas las características de alto rendimiento de la generación de procesadores Falcon. Hemos reducido significativamente el tiempo de latencia del procesamiento de señales en el sistema de control asociado, como preparación para las próximas capacidades del sistema de retroalimentación y avance, donde podremos controlar qubits basados ​​en condiciones clásicas mientras se ejecuta el circuito cuántico.

El próximo año, presentaremos nuestro procesador IBM Quantum Eagle de 127 qubits. Eagle trae varias actualizaciones para superar el hito de los 100 qubits: de manera crucial, las vías de silicio (through-silicon vías, TSV) y el cableado de varios niveles brindan la capacidad de desplegar de manera efectiva una gran densidad de señales de control clásicas mientras se protegen los qubits en una capa separada para mantener tiempos de coherencia elevados. Mientras tanto, hemos logrado un delicado equilibrio de conectividad y reducción del error de crosstalk con nuestro enfoque de frecuencia fija para puertas de dos qubits y la disposición de qubit hexagonal introducida por Falcon. Este diseño de qubit nos permitirá implementar el código de corrección de errores "hexagonal pesado" que nuestro equipo estrenó el año pasado, de modo que a medida que aumentemos el número de qubits físicos, también podremos explorar cómo funcionarán juntos como qubits lógicos con corrección de errores: cada procesador que diseñamos tiene en cuenta las consideraciones de tolerancia a falla.

Con el procesador Eagle, también presentaremos capacidades de cómputo clásicas en tiempo real concurrentes que permitirán la ejecución de una familia más amplia de circuitos y códigos cuánticos.

Los principios de diseño establecidos para nuestros procesadores más pequeños nos encaminarán hacia el lanzamiento de un sistema IBM Quantum Osprey de 433 qubits en 2022. Controles más eficientes y densos y la infraestructura criogénica garantizarán que la ampliación de la escala de nuestros procesadores no sacrifique el rendimiento de nuestros qubits individuales, introduzcan más fuentes de ruido ni ocupen una huella demasiado grande.

En 2023, presentaremos el procesador IBM Quantum Condor de 1.121 qubits, incorporando las lecciones aprendidas de procesadores anteriores mientras continuamos reduciendo los errores críticos de dos qubits para que podamos ejecutar circuitos cuánticos más largos. Consideramos que Condor es un punto de inflexión, un hito que marca nuestra capacidad para implementar la corrección de errores y escalar nuestros dispositivos, y al mismo tiempo es lo suficientemente complejo como para explorar las posibles ventajas cuánticas, problemas que podemos resolver de manera más eficiente en una computadora cuántica que en las mejores supercomputadoras del mundo.

El desarrollo requerido para construir Condor habrá resuelto algunos de los desafíos más urgentes en la forma de escalar una computadora cuántica. Sin embargo, a medida que exploramos dominios incluso más allá de la marca de los mil qubits, los refrigeradores comerciales de dilución de hoy ya no serán capaces de enfriar y aislar eficazmente dispositivos tan complejos y potencialmente grandes.

Es por eso que también presentamos un "superrefrigerador" de 10 pies de alto y 6 pies de ancho, conocido como "Goldeneye", un refrigerador de dilución más grande que los disponibles comercialmente en la actualidad. Nuestro equipo ha diseñado este gigante con un sistema de un millón de qubits en mente y ya ha comenzado las pruebas de viabilidad fundamentales. En última instancia, imaginamos un futuro en el que las interconexiones cuánticas enlazan refrigeradores de dilución, cada uno con un millón de qubits, como la intranet enlaza con los procesadores de supercomputación, creando una computadora cuántica masivamente paralela capaz de transformar el mundo.

Conocer el camino a seguir no elimina los obstáculos; enfrentamos algunos de los mayores retos en la historia del progreso tecnológico. Pero, con nuestra visión clara, ahora se siente que una computadora cuántica tolerante a fallas puede ser un objetivo alcanzable en la próxima década