En los próximos años, las computadoras cuánticas podrán superar a las clásicas en la realización de tareas específicas, logrando lo que se llama “supremacía cuántica”, dijo Jay M. Gambetta, presidente de International Business Machines (IBM) Corp. Vicepresidente de Quantum.
Sin embargo, cree que para lograr esta “ventaja” será necesario mejorar el hardware y la plataforma y la participación de los científicos en el desarrollo de nuevos algoritmos para estos sistemas.
“Hemos llegado al punto en que nuestras computadoras cuánticas pueden simularse usando computadoras clásicas. Esta etapa es lo que llamamos utilidad cuántica (lo que significa que los investigadores pueden usar las computadoras cuánticas actuales para estudiar problemas científicos significativos), dijo Gambetta. Menta En una entrevista reciente durante su visita a la India. Añadió que esto no significa que exista un algoritmo superior a los métodos clásicos.
“Se puede considerarlo como un recurso científico, una base para el trabajo futuro. Hemos superado 100 qubits y 3.000 puertas cuánticas, y hemos puesto mucho esfuerzo en hacer que nuestra plataforma de software, Qiskit, respalde estos logros”. explicó.
Las puertas cuánticas son los componentes básicos de los circuitos cuánticos, similares a las puertas lógicas de las computadoras clásicas. Permiten que las computadoras cuánticas realicen cálculos complejos de manera más eficiente que las computadoras clásicas para determinadas tareas.
Doctor en Filosofía. En 2018, Gambetta en Física recibió una beca IBM (el mayor honor de la compañía; otorgada a solo 338 empleados desde su fundación en 1911, y 89 al 13 de marzo) por su liderazgo en el desarrollo de la computación cuántica superconductora y la formación de IBM. . estrategia cuántica.
Según Gambetta, la estrategia cuántica de IBM implica mejorar constantemente el hardware y habilitar algoritmos que sean compatibles con los sistemas de mitigación de errores. Gambetta explicó que desde 2017, IBM ha utilizado la mitigación de errores para mejorar la precisión y crear circuitos más complejos. Una corrección de errores esperada para 2029 profundizará aún más los esquemas sin interrumpir la experiencia del usuario como en la informática clásica.
Lograr sistemas cuánticos confiables requiere no solo buenos qubits, sino también códigos, puertas, mediciones y preparación de estados eficientes, dijo. “El próximo desafío es pasar a sistemas más grandes y rentables. Si bien gran parte de la ciencia básica se ha resuelto, el próximo desafío de ingeniería es pasar a sistemas más grandes, más rentables y más confiables”, dijo Gambetta.
“Al final del día, los usuarios no tendrán que preocuparse por la corrección de errores: simplemente tendrán acceso a una biblioteca cada vez mayor de aplicaciones cuánticas. La atención se sigue centrando en equilibrar los avances del hardware con la innovación algorítmica para desbloquear la computación cuántica práctica”, explicó Gambetta.
Hace un año, por ejemplo, la mayoría de los usuarios trabajaban con sólo 10 qubits. Ahora están utilizando sistemas de 100 qubit y otros. En diciembre de 2023, IBM presentó Condor, un procesador cuántico superconductor de 1.121 qubits, y la propia IBM pretende construir un sistema de 100.000 qubits para 2033 y está trabajando con la Universidad de Tokio y la Universidad de Chicago para lograrlo.
Si bien gran parte de la ciencia básica se ha resuelto, el próximo desafío de ingeniería es pasar a sistemas más grandes, más rentables y más confiables.
Un qubit, o bit cuántico, es la unidad fundamental de información utilizada para codificar datos en la computación cuántica. Estos qubits pueden almacenar más datos que los bits tradicionales mientras realizan cálculos avanzados. Incluso India, como parte de su Misión Cuántica Nacional, planea desarrollar computadoras cuánticas de 50 a 100 qubits en unos cinco años y acelerarlas a 1.000 qubits y más en ocho años.
También se centrará en el desarrollo de la corrección de errores cuánticos (QEC) para hacer que los ordenadores cuánticos sean estables y funcionales para el uso diario y para crear algoritmos cuánticos para aplicaciones prácticas. Dicho esto, la computadora cuántica de seis qubits del Instituto Tata de Investigación Fundamental (TIFR) es eclipsada por el Condor de IBM o incluso por la computadora cuántica atómica neutra de 1.180 qubits de Atom Computing.
“No creo que vayas a maximizar el éxito si sólo apuestas por los qubits. El éxito no debería depender únicamente de los qubits; los componentes, el software y los algoritmos son igualmente importantes”, dijo Gambetta. India, dijo, tiene el potencial de desbloquear algoritmos y acelerar el desarrollo de hardware.
“Si bien la ampliación de los sistemas cuánticos requiere una ingeniería importante, la verdadera oportunidad reside en construir los componentes clave, como amplificadores y controladores, que conforman la ‘cadena de suministro crítica cuántica’ que aún no existe”, explicó, y agregó: “Cuando vine aquí (a la India), quedé impresionado con el talento”.
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Realizando qubits
Las computadoras cuánticas utilizan diferentes tipos de qubits: qubits superconductores, qubits de iones atrapados, puntos cuánticos, fotones y átomos neutros. IBM prefiere los qubits superconductores por su equilibrio entre escalabilidad, calidad y velocidad, dijo Gambetta.
Aunque otras tecnologías, como iones y átomos neutros, han existido antes, los qubits superconductores han avanzado rápidamente desde que se demostraron por primera vez en 1999. IBM cree que esta tecnología tiene el mejor potencial de escala y eficiencia.
El último análisis de McKinsey para su tercer Quantum Technology Monitor anual señala que los productos químicos, las ciencias biológicas, las finanzas y la movilidad están preparados para beneficiarse primero de la computación cuántica, generando potencialmente hasta 2 billones de dólares en valor para 2035.
No creo que estés maximizando el éxito si solo apuestas por los qubits. El éxito no debería depender únicamente de los qubits; Los componentes, el software y los algoritmos son igualmente cruciales.
Según Gambetta, el próximo gran desafío es fomentar una mayor investigación algorítmica. “En particular, necesitamos implementar algoritmos heurísticos robustos (métodos prácticos de prueba y error) en hardware cuántico. “Esto nos ayudará a identificar tareas útiles que las computadoras cuánticas pueden realizar mejor que las clásicas, acelerando el camino hacia la supremacía cuántica”, explicó.
La fase Cóndor, dijo, está enfocada en “resolver desafíos de escalado, empaque y fabricación”. Aunque Condor no era ideal para la investigación de algoritmos, ayudó a demostrar que el hardware era escalable. Según Gambetta, la siguiente etapa, Heron, hará hincapié en la mejora del rendimiento aumentando la complejidad de la puerta y reduciendo las tasas de error, incluso con menos qubits. Añadió que ahora la atención se centra en la modularidad y en la conexión de múltiples procesadores cuánticos para aumentar la escalabilidad.
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Error para cada puerta en capas
Junto con Quantum Size, IBM introdujo una nueva métrica llamada puerta por capa (EPLG) para evaluar qué tan bien los circuitos pasan de la forma abstracta a la física, según Gambetta. El tamaño cuántico, que mide el tamaño que puede operar un circuito cuántico en hardware, se duplica cada año y se conoce como Ley de Gambetta, similar a la Ley de Moore para la informática tradicional.
IBM planea demostrar la corrección de errores en el procesador Starling para 2029 y lanzar el procesador BlueJay (una unidad de procesamiento cuántico de 2.000 qubits, o QPU, circuitos con mil millones de puertas) para 2033. BlueJay tiene como objetivo superar los límites tecnológicos que requieren innovación en criogenia. Según Gambetta, los elementos de control y las correlaciones cuánticas aún no existen.
IBM anticipa la necesidad de “criogenia modular que permita que múltiples refrigeradores funcionen de forma independiente, controles avanzados basados en circuitos integrados específicos de aplicaciones (ASIC) e interconexiones cuánticas densas”, según Gambetta. Para garantizar la preparación para 2033, la investigación en estas áreas debe comenzar ahora. Las colaboraciones con universidades de todo el mundo se centran en los desafíos técnicos y en la formación de futuros talentos en algoritmos cuánticos y diseño de sistemas.
Actualmente, la empresa forma a 40.000 estudiantes en algoritmos cuánticos en cooperación con universidades de Chicago, Corea del Sur y Japón. Existe una demanda creciente de personas con experiencia en matemáticas aplicadas e informática que puedan realizar la transición a los campos cuánticos.
Mientras IBM continúa contratando físicos e ingenieros, el mayor desafío será encontrar programadores que comprendan los fundamentos matemáticos y las aplicaciones prácticas de la computación cuántica, reconoció Gambetta.
Además, dado que la computación cuántica está influenciada por una variedad de campos, incluida la ingeniería de microondas, la física del estado sólido y el desarrollo de software, enfatiza que IBM está pensando en ciclos de aprendizaje continuo y pensamiento sistémico para impulsar el progreso. El coaching juega un papel crucial en la adaptación a estas demandas cambiantes, añadió.
Curiosamente, Gambetta cree que operar a temperatura ambiente no es necesario para los sistemas cuánticos porque “la energía necesaria para enfriarlos es mínima en comparación con la energía necesaria para controlar la electrónica”. El verdadero desafío, dice, es “escalar: a medida que los sistemas crecen, incluso una pequeña posibilidad de falla puede acumularse”.
“Ampliar y reducir el costo de la electrónica es fundamental porque los sistemas actuales basados en FPGA (arreglos de puertas programables en campo, o FPGA, circuitos integrados disponibles en el mercado) son costosos por qubit. Las soluciones futuras son ASIC fríos y más baratos y mejores. Electrónica de calidad”, explicó. Ella lo es.
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