COMPUTACIÓN CUÁNTICA. Nuevo hito cuántico: IBM alcanza con el nuevo procesador Osprey los 433 cúbits, más capacidad que el número de átomos del universo.

La compañía triplica la memoria del computador Eagle en un año y mantiene el plan de superar los 4.000 cúbits en 2022

“Un ordenador cuántico de 273 cúbits tiene más memoria que átomos el universo observable”, según Alberto Casas, investigador del CSIC y autor de La revolución cuántica (Ediciones B, 2022). El físico auguraba en su libro una inminente consecución de este hito, que ya se ha logrado. La multinacional IBM ha presentado este miércoles su nuevo procesador Osprey (águila pescadora), con el que ha alcanzado los 433 cúbits, más del triple de capacidad de la conseguida hace solo un año con el Eagle (127 cúbits) y una décima parte de la que esperan en 2025. Es un paso necesario para desarrollar ordenadores cuánticos efectivos, capaces de hacer cálculos prácticos a gran escala de forma robusta, sin errores.

La física clásica no explica nuestro mundo, aunque hasta ahora nos ha servido, en especial, en el ámbito macroscópico. La ciencia cuántica, que estudia la naturaleza y las interacciones a escala atómica y subatómica, comienza a aportar posibles explicaciones y mantiene dos vías que se entrecruzan: la teórica, que aspira a contestar a preguntas fundamentales, como qué es la materia oscura que conforma el universo, y la práctica, que quiere aplicar las leyes cuánticas a procesos como la computación para multiplicar exponencialmente la capacidad para estudiar y comprender la vida y todo lo que la rodea. Este último camino ha superado una nueva meta.

Un cúbit es la unidad mínima de computación cuántica y, a diferencia del bit convencional —el que se utiliza en la tecnología común—, no tiene solo dos valores (0 y 1), sino que puede tener estos o cualquier superposición de ellos. Si un superordenador actual puede hacer millones de operaciones con bites (el Summit de IBM es capaz de procesar más de 200.000 millones de cálculos por segundo), uno cuántico puede ejecutar trillones. De ahí la importancia de aumentar la capacidad de cúbits en los modelos en desarrollo y minimizar los errores que afectan a esta tecnología.

Este es uno de los logros de IBM, que mantiene su hoja de ruta para conseguir un computador cuántico efectivo. El hito anunciado este miércoles, que se ha conseguido con innovaciones en la programación (software) y en el hardware (elementos físicos o materiales de los ordenadores y sistemas informáticos), es la base para el futuro lanzamiento del Cóndor, que será el primer procesador cuántico universal de más de 1.000 cúbits. A este le seguirá el Kookaburra (Cucaburra), previsto para 2025 y que tendrá una capacidad de más de 4.000. Según el director ejecutivo de IBM, Arvind Krishna, este último computador “será capaz de ejecutar cálculos que precisarían de un ordenador tradicional de casi el tamaño de la Tierra”.

En esta carrera por la “ventaja cuántica”, término que hace referencia a desarrollos basados en esta física que superen a los computadores clásicos, también están compañías como Google o Rigetti.

Para alcanzarla, IBM no se centra solo en las propiedades cuánticas, sino que incluye también procesadores convencionales en función de su eficiencia frente a las tareas de computación. El objetivo es desarrollar un tejido de circuitos para distribuir los problemas complejos entre varios procesadores.

Quantum System Two
IBM

De esta forma, para triplicar la capacidad del Eagle (el procesador que superó la barrera de los 100 cúbits), el nuevo Osprey se incluye en un nuevo IBM Quantum System Two, un sistema modular y flexible para incorporar múltiples chips (circuitos integrados) conectados por un sistema de control. Este estará accesible en línea en el primer trimestre de 2023 y es determinante para desarrollar una arquitectura modular con comunicación cuántica —que aumenta la capacidad computacional— y con un sistema de nube híbrida que permite integrar flujos de trabajo cuánticos y clásicos. “Hemos finalizado cómo será el sistema desde una perspectiva de diseño y estamos trabajando para construirlo, ponerlo y demostrarlo el próximo año”, afirma Jay Gambetta, el físico que lidera el equipo del Centro de Investigación IBM Thomas J Watson para el desarrollo de la computadora cuántica.

Será la base del Crossbill, el primer procesador único hecho de múltiples chips, y del Flamingo, que incluirá enlaces de comunicación cuántica. Ambos desarrollos están previstos para 2024. Un año después, con la combinación de las dos tecnologías, se prevé presentar el Kookaburra, un sistema cuántico de tres procesadores y 4.158 cúbits que pretende abrir la puerta a superar la barrera de los 100.000 cúbits.

El problema del ruido
Pero para aprovechar la ventaja computacional del cúbit hay que sortear un difícil problema. Las superposiciones cuánticas de estados que permiten los trillones de combinaciones y, por lo tanto, la casi infinita capacidad de computación son muy sensibles al medio ambiente. Cualquier mínima circunstancia del entorno (temperatura, ruido electromagnético o vibración) degrada las superposiciones y genera errores.

Jian-Wei Pan, el mayor experto en computación de China, afirma que “construir un ordenador cuántico prácticamente útil y tolerante a los fallos es uno de los grandes desafíos para el ser humano”. “El obstáculo más formidable es la presencia de ruido e imperfecciones. Necesitamos usar la corrección de errores cuánticos y operaciones tolerantes a fallos para superar el ruido y escalar el sistema”, asegura.

Procesador IBM Quantum Osprey. IBM
Una de las fórmulas para paliar esta desventaja es crear entornos donde se minimicen las interacciones con el medio ambiente, como enfriar los sistemas a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 ºC). Pero también se pueden abordar los errores una vez que se producen, aplicando sistemas, como el Qiskit Runtime Primitives que incorpora el Osprey presentado este miércoles. Este desarrollo es un entorno de sistemas clásicos y cuánticos que aumenta la velocidad y calidad de la computación. Además, se suma Dynamic Circuits, un modelo alternativo de construcción de circuitos para la corrección de errores cuánticos. IBM prevé incorporar nuevos sistemas de supresión y mitigación de fallos con el fin de ayudar a los desarrolladores del programa fundamental del sistema operativo (kernel) a administrar el ruido y subsanar errores.

Frente a las alternativas materiales, Qiskit Runtime Primitives permite llevar a la programación las soluciones frente al ruido, por lo que facilita, según la compañía, que “los usuarios incorporen la computación cuántica en sus flujos de trabajo y se acelere el desarrollo de aplicaciones cuánticas”.

Oliver Dial, jefe de arquitectura de hardware cuántico en IBM, cree que no están muy lejos de conseguir minimizar el ruido: “En los próximos dos años, podremos hacer algo que nadie ha hecho antes. Es un desafío. Si podemos proporcionar una estimación libre de ruido observable, estaremos en el rango donde podemos comenzar a resolver problemas interesantes con nuestros clientes”.

De esta forma, según IBM, la carrera cuántica que se afianza no exigirá disponer de un ordenador de esta tecnología, sino que un desarrollador podrá incorporar a sus programas determinadas funcionalidades y operaciones de cálculo cuántico que se ejecutarán en la nube y que se integrarán con fluidez en aplicaciones que aunarán la nueva tecnología y la existente.

Un computador de 4.000 cúbits será capaz de ejecutar cálculos que precisarían un ordenador tradicional de casi el tamaño de la Tierra
Arvind Krishna, director ejecutivo de IBM

Alejandro González Tudela, investigador científico en el Instituto de Física Fundamental del CSIC, cree que las posibilidades de la computación cuántica son extraordinarias y que muchas de ellas aún están por descubrir. Uno de los campos de aplicación serán, en su opinión, “las cuestiones de muchos cuerpos, con muchos elementos que interaccionan entre ellos y que son difíciles de resolver en ordenadores clásicos”. Dos ejemplos serían la simulación de moléculas o el desarrollo de nuevos materiales, campos con una dimensión exponencial inalcanzable para los sistemas tradicionales.

La inteligencia artificial (IA) y, en especial, las redes neuronales, las que intentan emular al cerebro humano, también se beneficiarán de esta tecnología para clasificar, analizar y extraer patrones y conocimiento de imágenes, palabras o conceptos de cualquier tipo de lenguaje en cualquier área. En este sentido, IBM, cuenta con un sistema capaz de interpretar el lenguaje de la química para predecir el resultado más probable de una determinada reacción.

Esta convergencia entre bits, redes neuronales y cúbits es la base tecnológica de una nueva era de descubrimientos y de un futuro revolucionario de innovaciones tanto para la ciencia como para las empresas e instituciones.