El procesador cuántico masivo de IBM "Kookaburra" podría aterrizar en 2025

Eche un vistazo más de cerca al ambicioso objetivo de IBM para hacer que la computación cuántica sea más potente y más práctica.

Bycharlotte Hu | Publicado el 10 de mayo de 2022 7:00 PM

Las supercomputadoras clásicas de hoy pueden hacer mucho.Pero debido a que sus cálculos se limitan a estados binarios de 0 o 1, pueden tener dificultades 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 debutó un chip de computación de 127 quits y una estructura llamada IBM Quantum System Two, destinado a albergar componentes como el criostato de araña, el cableado y la electrónica para estos chips más grandes en el futuro.Estos desarrollos superaron a IBM por delante de otras grandes compañías tecnológicas como Google y Microsoft en la carrera para construir la computadora cuántica más potente.Hoy, la compañía está presentando su plan de tres años para alcanzar más de 4,000 citas para 2025 con un procesador que llama "Kookaburra."Así es como planea llegar allí.

Para ampliar sus habilidades de procesamiento para los qubits, IBM desarrollará el desarrollo tanto en los componentes de hardware como de software para los chips cuánticos.El primero en venir es un nuevo procesador llamado Heron que cuenta con 133 qubits.Además de tener más qubits, el chip Heron tiene un diseño diferente de su predecesor, Eagle."En realidad nos permite obtener una fracción mucho mayor de puertas de 2 quits funcionales.Está utilizando una nueva arquitectura llamada Coplers sintonizables ", 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 garzas 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 estamos construyendo."

Mejor control de nivel de puerta

Antes de que pueda entender qué es un qubit, debe entender qué es un poco y qué es una puerta también.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 compuerta.Cambiar la carga eléctrica en la compuerta Electrodo controla si el transistor está encendido en el estado 1, o apagado, en el estado 0.Los cambios físicos en estos estados permiten a las computadoras codificar 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.Todos estos circuitos están 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 a las puertas clásicas.A diferencia de los bits clásicos, que pueden tener un valor de 1 o 0, en las condiciones correctas, los qubits pueden permanecer en el estado de superposición cuántica similar a la onda, que representa una combinación de todas las configuraciones posibles: 0, 1 o ambos al mismo tiempotiempo.Disparar fotones de microondas a frecuencias específicas de QIBT permite a los investigadores controlar su comportamiento, lo que puede ser mantener, 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 hablan entre sí o con el cableado en su entorno, pueden perder sus propiedades cuánticas, haciendo 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." The coherence time and how long it takes to do a gate set the limit on how big of a quantum calculation you can do with a set of qubits.

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“The way that we’ve been designing our current processors, Falcon, Hummingbird, Eagle, have been using fixed coupling between qubits, and we’ve been using a microwave-based 2-qubit cross-resonance gate," says Chow.En esos casos, estaban usando diferentes frecuencias para hablar con el qubit correspondiente. Now, they’re adding “individualized magnetic field controls for the couplers between the qubits," Chow says, which allows them to turn on qubit interactions with the varying microwave frequencies.

Múltiples procesadores cuánticos conectados

Las computadoras clásicas tienen núcleos, que son agrupaciones de transistores que pueden ejecutar múltiples tareas en paralelo.Puede imaginar que tiene múltiples registros de pago abiertos en un supermercado en lugar de que todos se alineen para uno.Las CPU que ofrecen múltiples núcleos, o múltiples subprocesos, pueden dividir una gran tarea en piezas más pequeñas que pueden alimentarse a los diferentes núcleos para procesar.

Ahora, IBM también quiere aplicar este concepto a la computación cuántica, a través de una técnica llamada tejido de circuito. This “effectively takes large quantum circuits, finds ways to break them down into smaller, more digestible quantum circuits, which can be almost parallelly run across a number of processors," Chow explains."Con esta paralelización clásica, aumenta los tipos de problemas y capacidades que podemos abordar." Parallelization could also be useful for decreasing error rates.

Esta rama de diseño está separada del desarrollo de águilas pescadoras o cóndores, que están en camino de alcanzar 433 y 1,121 qubits, respectivamente, en los próximos años."Pero también queremos tener una modularidad incorporada que nos permita escalar aún más. At some level, just the amount of the number of qubits that we’re going to be able to pack into a single chip will start to become limited," says Chow."Estamos probando algunos de esos límites con Osprey y con Condor actualmente."

Con Heron, la idea es que los ingenieros prueben formas de establecer enlaces cuánticos en múltiples chips cuánticos. “We’re exploring what we call these modularly couplers that will allow us to effectively have multiple chips that are connected together," Chow says.Esto creará lo que es esencialmente un procesador coherente cuántico más grande compuesto por tres chips cuánticos individuales con el mismo procesador cuántico subyacente.Con este fin, IBM espera unir tres chips en un sistema de 408 quits, 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 medidor de largo (los qubits superconductores deben mantenerse muy fríos). “We’re calling this the inter-quantum communication link," says Chow, and it can extend quantum coherent connections within the shared cryogenic environment.

La combinación de la paralelización, la conexión de chip a chip, así como el acoplamiento de largo alcance es lo que podría permitirles alcanzar su objetivo de 2025 de un sistema de 4,158 qubit: el Kookaburra.

Combinando la computación clásica con computación cuántica

Ir Quantum no significa rediseñar una computadora completa desde cero.Gran parte del sistema cuántico se ejecuta en infraestructura de computación clásica. “The way that we typically have our systems is you have your quantum processor inside the refrigerator and you’re constantly talking to it with the classical infrastructure," Chow says.“La infraestructura clásica está generando estos pulsos de microondas, generando las lecturas.Cuando programas 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 alimentarse con procesadores clásicos, como las CPU y las GPU, que se conectarían en paralelo al chip cuántico, pero no de ninguna manera cuántica.De esa manera, puede hacer aplicaciones roscadas utilizando poderes de computación clásicos y cuánticos.

“The quantum processor is providing a different resource from a GPU or a super large CPU," says Chow."Pero en general, todo será algo que se siente como una supercomputadora que aún se orquesta juntos."

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En la visión de IBM del futuro del cálculo, las máquinas tendrán componentes que pueden ejecutar circuitos cuánticos en el hardware cuántico.Sin embargo, este componente se coserá junto con la memoria clásica y la infraestructura clásica.Este tipo de estructura híbrida se puede utilizar para problemas como las simulaciones moleculares, que utiliza un algoritmo clásico cuántico híbrido llamado eigensolver cuántico variacional.

Software cuántico

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

Cuando la primera computadora cuántica de IBM se lanzó a la nube en 2016, vino con un lenguaje de ensamblaje, llamado Openqasm, que se ha utilizado para construir programas. This coming year, IBM will integrate “dynamic circuits" that can measure qubits and process classical information concurrently into their OpenQASM 3 library.Esta es también 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 la medición.Puede permitir más correcciones de error y verificaciones de paridad.

La codificación de lenguaje básico para este tipo de operaciones formará primitivas, o los elementos de cálculo básicos de un algoritmo, todos los cuales serán parte de la plataforma de tiempo de ejecución QISKIT de IBM, un servicio de informática y un modelo de programación para cálculos cuánticos.Qiskit contiene diferentes niveles de lenguajes de ensamblaje para los desarrolladores de núcleos que podrían tener que trabajar con el código y el hardware y una API en la pila QISKIT para que los desarrolladores de algoritmo trabajen sin servidor.

“At this higher level for algorithm developers, you don’t need to care about running it on any particular backend when you have this cloud environment where you can access the CPUs, GPUs, and QPUs, all orchestrated together," Chow says."Nos permite usar los recursos clásicos en concierto con nuestros recursos cuánticos para manejar algunos de los problemas de circuito cuántico más grandes, que podrían estar presionando cosas como la ventaja cuántica."

Charlotte es el editor asistente de tecnología de Popular Science.Está interesada en comprender cómo está cambiando nuestra relación con la tecnología y cómo vivimos en línea.Póngase en contacto con el autor aquí.

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