Los planes de IBM para el futuro de la computación cuántica

Las supercomputadoras clásicas de hoy pueden hacer mucho. Pero debido a que sus cálculos están limitados a estados binarios de 0 o 1, pueden tener problemas con problemas enormemente complejos como simulaciones de ciencias naturales. Aquí es donde las computadoras cuánticas, que pueden representar información como 0, 1, o posiblemente ambas al mismo tiempo, podrían tener una ventaja.

El año pasado, IBM presentó un chip informático de 127 qubits y una estructura llamada IBM Quantum System Two, destinada a albergar componentes como el criostato de araña, el cableado y la electrónica para estos chips más grandes en el futuro. Estos desarrollos colocaron a IBM por delante de otras grandes empresas tecnológicas como Google y Microsoft en la carrera por construir la computadora cuántica más poderosa. Hoy dia, la empresa está presentando su plan de tres años para llegar más allá de los 4000 qubits para 2025 con un procesador al que llama “Kookaburra”. Así es como está planeando llegar allí.

Para ampliar sus capacidades de procesamiento para qubits, IBM desarrollará el desarrollo de los componentes de hardware y software para los chips cuánticos. El primero en llegar es un nuevo procesador llamado Heron que cuenta con 133 qubits. Además de tener más qubits, el chip Heron tiene un diseño diferente al de su antecesor, Eagle. “En realidad, nos permite obtener una fracción mucho mayor de puertas de 2 qubit en funcionamiento. Utiliza una nueva arquitectura llamada acopladores ajustables”, dice Jerry Chow, director de desarrollo de sistemas de hardware cuántico en IBM Quantum.

“Junto con este plan para este nuevo procesador para Heron, queremos poder tener múltiples Heron que sean direccionables a través de una arquitectura de control”, agrega. “Queremos poder tener una comunicación clásica vinculada a través de estos chips y procesadores a medida que los construimos”.

Mejor control a nivel de puerta

Antes de que pueda comprender qué es un qubit, debe comprender qué es un bit y también qué es una puerta. En las computadoras clásicas, la información se codifica como bits binarios (0 o 1). Los transistores son interruptores que controlan el flujo de electrones. Los transistores están conectados a varios electrodos, incluido un electrodo de puerta. Cambiar la carga eléctrica en el electrodo de puerta controla si el transistor está encendido en el estado 1 o apagado en el estado 0. Los cambios físicos en estos estados permiten que las computadoras codifiquen información. Las puertas lógicas se componen de una disposición específica de transistores. Un grupo de transistores puede formar un circuito integrado que puede almacenar fragmentos de datos. Estos circuitos están todos interconectados en la superficie de un chip.

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Los qubits funcionan de manera diferente a los bits, y Las puertas cuánticas funcionan de manera diferente. que las puertas clásicas. A diferencia de los bits clásicos, que pueden tener un valor de 1 o 0, en las condiciones adecuadas, qubits puede permanecer en el estado de superposición cuántica similar a una onda, que representa una combinación de todas las configuraciones posibles: 0, 1 o una superposición de las dos. Disparar fotones de microondas a frecuencias específicas de qubit permite investigadores para controlar su comportamiento.que puede ser retener, cambiar o leer unidades de información cuántica.

Desafortunadamente, los qubits son bastante frágiles: son sensibles al calor, inestables y propensos a errores. Cuando los qubits se comunican entre sí o con el cableado de su entorno, pueden perder sus propiedades cuánticas, lo que hace que los cálculos sean menos precisos. Al describir cuánto tiempo pueden permanecer en sus estados de superposición, los expertos se refieren a su “tiempo de coherencia”. El tiempo de coherencia y el tiempo que lleva hacer una puerta establece el límite de cuán grande es el cálculo cuántico que puede hacer con un conjunto de qubits.

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“La forma en que hemos estado diseñando nuestros procesadores actuales, Falcon, Hummingbird, Eagle, hemos estado usando acoplamiento fijo entre qubits, y hemos estado usando una puerta de resonancia cruzada de 2 qubits basada en microondas”, dice Chow. En esos casos, estaban usando diferentes frecuencias para hablar con el qubit correspondiente. Ahora, están agregando “controles de campo magnético individualizados para los acopladores entre los qubits”, dice Chow, lo que les permite activar las interacciones de los qubits con las diferentes frecuencias de microondas.

Múltiples procesadores cuánticos conectados

Las computadoras clásicas tienen núcleos, que son agrupaciones de transistores que pueden ejecutar múltiples tareas en paralelo. Puede imaginarlo como tener varias cajas registradoras abiertas en un supermercado en lugar de tener a todos haciendo fila para una. CPU que ofrecen múltiples núcleos, o subprocesos múltiplespuede dividir una gran tarea en partes más pequeñas que se pueden alimentar a los diferentes núcleos para su procesamiento.

Ahora, IBM quiere aplicar este concepto también a la computación cuántica, a través de una técnica llamada tejido de circuito. Esto “toma efectivamente grandes circuitos cuánticos, encuentra formas de dividirlos en circuitos cuánticos más pequeños y más digeribles, que se pueden ejecutar casi en paralelo en varios procesadores”, explica Chow. “Con esta paralelización clásica, aumenta los tipos de problemas y capacidades que podemos abordar”. La paralelización también podría ser útil para disminuir las tasas de error.

Esta rama del diseño es independiente del desarrollo de Osprey o Condor, que están en camino de alcanzar 433 y 1121 qubits, respectivamente, en los próximos años. “Pero también queremos tener algo de modularidad incorporada que nos permita escalar aún más. En algún nivel, la cantidad de qubits que vamos a poder empaquetar en un solo chip comenzará a ser limitada”, dice Chow. “Estamos probando algunos de esos límites con Osprey y Condor actualmente”.

Con Heron, la idea es que los ingenieros prueben formas de establecer enlaces cuánticos entre múltiples chips cuánticos. “Estamos explorando lo que llamamos estos acopladores modulares que nos permitirán tener múltiples chips conectados entre sí”, dice Chow. Esto creará lo que es esencialmente un procesador cuántico coherente más grande compuesto por tres chips cuánticos individuales con el mismo procesador cuántico subyacente. Con este fin, IBM espera acoplar tres chips en un sistema de 408 qubits, llamado Crossbill, en 2024.

Para escalar aún más, IBM también está trabajando en acopladores de largo alcance que pueden conectar grupos de procesadores cuánticos a través de un cable criogénico de un metro de largo (los qubits superconductores deben mantenerse muy fríos). “Llamamos a esto el enlace de comunicación inter-cuántica”, dice Chow, y puede extender conexiones cuánticas coherentes dentro del entorno criogénico compartido.

Combinar la paralelización, la conexión de chip a chip y el acoplamiento de largo alcance es lo que podría permitirles lograr su objetivo para 2025 de un sistema de 4158 qubits: el Kookaburra.

Combinando la computación clásica con la computación cuántica

Ser cuántico no significa rediseñar una computadora completa desde cero. Gran parte del sistema cuántico se ejecuta en la infraestructura informática clásica. “La forma en que normalmente tenemos nuestros sistemas es que tiene su procesador cuántico dentro del refrigerador y está constantemente hablando con él con la infraestructura clásica”, dice Chow. “La infraestructura clásica está generando estos pulsos de microondas, generando las lecturas. Cuando programa un circuito, simplemente se convierte en esta orquestación de puertas, operaciones que van a los chips”.

Pero en lugar de tener solo procesadores cuánticos, un controlador también puede alimentar procesadores clásicos, como CPU y GPU, que estarían conectados en paralelo al chip cuántico, pero no de forma cuántica. De esa manera, puede realizar aplicaciones con subprocesos que utilizan potencias informáticas tanto clásicas como cuánticas.

“El procesador cuántico proporciona un recurso diferente de una GPU o una CPU súper grande”, dice Chow. “Pero en general, todo será algo que se sentirá como una supercomputadora que todavía está orquestada”.

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En la visión de IBM del futuro de la computación, las máquinas tendrán componentes que pueden ejecutar circuitos cuánticos en el hardware cuántico. Sin embargo, este componente se unirá con la memoria clásica y la infraestructura clásica. Este tipo de estructura híbrida se puede usar para problemas como simulaciones moleculares, que usan un algoritmo híbrido cuántico-clásico llamado solucionador propio cuántico variacional.

software cuántico

Los circuitos cuánticos no son como los circuitos clásicos. La lógica de las puertas. es diferente, y el lenguaje para el algoritmos es diferente.

Cuando IBM primera computadora cuántica se lanzó a la nube en 2016, venía con un lenguaje ensamblador, llamado AbiertoQASM, que se ha utilizado para crear programas. Este próximo año, IBM integrará “circuitos dinámicos” que puede medir qubits y procesar información clásica simultáneamente en su biblioteca OpenQASM 3. Esta también es una mejora de hardware que depende de una electrónica de control mejorada y una mejor mensajería en tiempo real entre el lado de control del circuito y el lado de medición. Puede permitir más correcciones de errores y verificaciones de paridad.

La codificación del lenguaje básico para este tipo de operaciones formará primitivoso los elementos básicos de cálculo de un algoritmo, todo lo cual formará parte de IBM Tiempo de ejecución de Qiskit plataforma, un servicio de computación y modelo de programación para cálculos cuánticos. Qiskit contiene diferentes niveles de lenguajes ensambladores para los desarrolladores del kernel que podrían tener que trabajar con el código y el hardware y una API en la pila de Qiskit para que los desarrolladores de algoritmos puedan trabajar. sin servidor.

“En este nivel superior para los desarrolladores de algoritmos, no necesita preocuparse por ejecutarlo en ningún backend en particular cuando tiene este entorno de nube donde puede acceder a las CPU, GPU y QPU, todo orquestado en conjunto”, dice Chow. “Nos permite usar los recursos clásicos junto con nuestros recursos cuánticos para manejar algunos de los problemas de circuitos cuánticos más grandes, que podrían estar impulsando cosas como la ventaja cuántica”.

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