El futuro con las computadoras cuánticas casi ha llegado, pero ¿estamos preparados para ello?

Al acercarse a la época de equipos nuevos y útiles, el factor humano en la informática se vuelve crítico

¿El futuro de la informática es un enorme tanque de metal? Me decepcionará si resulta que en el interior solo está sentado un chico con una computadora portátil y google.

Yorktown Heights, Nueva York. Estoy en la sala donde se encuentra una de las opciones para la computación futura. La computadora en sí misma no causa mucha impresión y parece un tanque de metal colgado en el techo. El ruido causa una impresión: los golpes metálicos periódicos que prevalecen en la habitación. Este es el sonido del sistema de enfriamiento, que lleva el equipo a una temperatura cercana al cero absoluto. Y no hay un chip ordinario que se enfríe allí: este es el enfoque de IBM para la computación cuántica.

En 2016, IBM hizo un anuncio sensacional invitando al público a probar una versión inicial de su computadora cuántica, que contiene solo cinco qubits ; esto es demasiado poco para cualquier computación seria, pero suficiente para que las personas obtengan experiencia de programación real con la nueva tecnología. La tecnología se estaba desarrollando rápidamente, e IBM instaló más tanques en su sala de computación cuántica y agregó nuevos procesos según fuera necesario. La compañía ya ha expandido el proyecto a 20 qubits y anunció optimistamente que está preparando una versión con 50 qubits.


Como muchas de las primeras computadoras de la compañía, la nueva computadora cuántica de IBM está encerrada en una caja beige

Cuando visitamos recientemente el centro de investigación. Thomas Watson, los investigadores de la compañía, fueron más cautelosos en sus declaraciones, enfatizando que no hicieron promesas y que una computadora de 50 qubits fue solo otro hito en el camino hacia el futuro de las computadoras cuánticas. Pero nos convencieron de que IBM está garantizado para participar en este futuro, en particular debido a las peculiaridades del ecosistema que la compañía crea en torno a sus primeros intentos.

Bloques de construcción de chips

Para crear qubits, IBM utiliza cables superconductores conectados al resonador, montados en un sustrato de silicio. Los cables y el sustrato le permiten a la compañía usar toda la experiencia adquirida en la creación de circuitos electrónicos, pero en este caso el cable es una mezcla de niobio con aluminio, lo que le permite ser superconductor a temperaturas extremadamente bajas. Jerry Chau, quien nos mostró la sala de inspección de equipos, dice que la compañía todavía está experimentando con detalles en el área de mejora de qubits, y está probando varias fórmulas y geometrías.

El resonador es sensible a la frecuencia de microondas, lo que le permite asignar o leer el valor qubit usando pulsos de microondas. Cada chip tiene elementos ópticos que reciben microondas en la entrada y los dirigen a qubits individuales. Las microondas por sí solas no se destacan, por lo que la entrada de datos se organiza utilizando componentes prefabricados existentes. La única dificultad es transferir los datos de entrada a un chip profundamente sumergido en un tanque de helio líquido. El equipo diseñado para esto no solo debe soportar temperaturas extremadamente bajas, sino también sobrevivir calentándolo nuevamente a temperatura ambiente. Aunque, una vez enfriado, el equipo puede funcionar sin cesar sin necesidad de reemplazo.


Parte del sistema de enfriamiento contenido en tanques. El helio líquido le permite bajar las temperaturas a casi cero absoluto

La computación cuántica se basa en las complejidades de los qubits. Chow nos dijo que para confundir cualquiera de los qubits, puede confiar en el hecho de que tienen frecuencias de resonancia ligeramente diferentes. Si nos dirigimos a cada miembro de un par de qubits usando la frecuencia de resonancia de su compañero, entonces pueden confundirse. Entonces se pueden enredar conjuntos de pares en sistemas de orden superior. La coherencia qubit se mantiene durante 100 μs, pero un par de qubits se pueden confundir durante 10 ns. Chow dijo que ahora se necesitan varios microsegundos para enredar el chip, lo que da tiempo suficiente para preparar todo el sistema y realizar cálculos.

Entonces, si todo es tan simple, ¿por qué todavía no tenemos un chip de 50 qubit?


Control de enfriamiento externo, pero no una computadora cuántica

El problema es que los qubits son extremadamente sensibles al ruido externo. Puede haber ruido fuera del dispositivo (aunque un tanque de metal ayuda a proteger el chip). Puede ser ruido interno (un sistema de enfriamiento, cables de microondas, los componentes del chip), todo esto puede interactuar con qubits. Y cualquier interacción es catastrófica para los cálculos.

Esto significa que cualquier cambio en la arquitectura del chip, incluso la adición de un solo qubit, puede cambiar potencialmente la frecuencia y el tipo de errores al realizar los cálculos. IBM se dedica a un modelado riguroso, tratando de limitar tales problemas a la fabricación del chip, pero, en cierto sentido, es un proceso empírico y paso a paso: debe usar el chip y ver qué sucede. "Agregar nuevos qubits nos permitirá identificar fuentes de ruido y diafonía", dijo Chau.

Esto también lo indica Sarah Sheldon, una de las científicas que trabajan en sistemas de microondas que controlan y leen datos de qubits. "Tenemos buenas herramientas para describir los componentes individuales, pero no hay métodos adecuados para describir todo el dispositivo", dijo Sheldon. "Cuando aumentamos el sistema, nos enfrentamos a situaciones en las que controlar un qubit puede conducir a errores en otro lugar". Más tarde agregó: "Nos estamos acercando al límite después del cual, clásicamente, estos dispositivos ya no se pueden simular, y ¿cómo decir si funcionan correctamente?"


¿Y todo por el bien de esto? Uno de los chips de prueba de una computadora cuántica

¿Superioridad o volumen?

La idea de una computadora cuántica es que puede realizar cálculos de cierto tipo cardinalmente más rápido que las computadoras comunes. Al emplear un número suficiente de qubits, una computadora cuántica podrá hacer frente a tareas que una computadora tradicional tardaría más tiempo en resolver que el Universo. El umbral, tras haber cruzado el cual una computadora cuántica puede hacer esto, ha sido denominado "superioridad cuántica". Google, habiendo anunciado sus desarrollos en el campo de la computación cuántica en marzo de 2018, mencionó este concepto.

Naturalmente, Google formuló su concepto de superioridad cuántica en términos del número permitido de errores (una cantidad que no toleraríamos de una computadora tradicional). IBM, por el contrario, está desarrollando qubits de corrección de errores. Desafortunadamente, este sistema requiere varios qubits adicionales. Bob Sator, vicepresidente de computación cuántica de IBM, sugirió que una computadora cuántica con varios cientos de qubits correctores de errores necesitaría miles de qubits para funcionar.



Recuerde que la compañía todavía está trabajando en un sistema con 50 qubits que no están involucrados en la corrección de errores. En el futuro cercano, la superioridad cuántica no nos amenaza.

En cambio, IBM sugiere comenzar a pensar en términos de "volumen cuántico", una medida que combina el número de qubits utilizados para los cálculos con el número de errores. El volumen cuántico permitiría una comparación significativa de las computadoras de IBM y las máquinas que Google describió. Sin embargo, esta medida no nos permitirá saber cuán útiles serán cada una de estas máquinas.

Y, hasta cierto punto, la respuesta a esta pregunta suena como: "Depende". En algunos casos, puede aceptar con seguridad los errores. La factorización simple de un gran número, por ejemplo, se puede verificar instantáneamente en una computadora clásica. En otros casos, los errores harán que el resultado de los cálculos no sea confiable, y no habrá una manera fácil de verificarlo. Por lo tanto, las computadoras actuales son un poco extrañas. "Podemos hacer algo cuyo comportamiento no pueda predecirse clásicamente y cuyo trabajo no sea propenso a errores", dijo Jay Gambetta, gerente del grupo de estudio de información y computación cuántica de IBM. "No sabemos qué se puede calcular con su ayuda".

Señaló que primero se crearon muchos algoritmos informáticos clásicos, y solo entonces se demostró su eficacia. En el caso de las computadoras cuánticas, es bastante difícil probar algo.

Simplemente puede recurrir a las estadísticas: ejecute el algoritmo varias veces (potencialmente eliminando parte o la totalidad de la ventaja en la aceleración cuántica) y tome la respuesta más frecuente. IBM resuelve este problema, en particular, a través de la participación pública, invitando a todos a probar sus computadoras. Si son útiles para algo en el estado actual, existe la posibilidad de que alguien lo adivine.

SDK para QC

¿Cómo atraer al público para trabajar en una máquina que necesita una infraestructura que proporcione refrigeración por helio líquido y que no pueda ejecutar el software existente? Parte de la respuesta a la pregunta se encuentra en una de las paredes de la sala de computadoras, en forma de un servidor más tradicional basado en el microprocesador POWER . El servidor acepta tareas enviadas por personas que se han registrado para probar equipos cuánticos. Entre ellos hay grandes empresas financieras y estudiantes que estudian ciencias de la computación.

Pero IBM confía en otra parte de la respuesta: el SDK de alto nivel, al que llama QISKit. Como describe su desarrollador de sistemas de control Sarah Sheldon, los pulsos de microondas de este sistema dependen de un conjunto de generadores, mezcladores y amplificadores arbitrarios de formas de onda. Pero QISKit permite a los usuarios ignorar todos estos detalles. Les permite asignar el estado inicial de los qubits individuales y sus conexiones, y luego el software, algo así como un compilador cuántico, traduce esto en un conjunto de pulsos de luz necesarios para que el sistema funcione como debería. "Nunca se encontrará con pulsos de microondas", promete Jay Gambetta.

La programación se lleva a cabo en Python, lo que permite a las personas utilizar las habilidades existentes.


El sistema de enfriamiento está cerrado y no es necesario reemplazar el helio.

Simplificar el acceso es una forma segura de alentar la participación de terceros, pero el éxito de la empresa le ha dado a IBM la tarea de administrar la comunidad. Gambetta enfatizó que QISKit y el compilador complementario se crearon para obtener un sistema que funcione. Discutió cómo hacer que el sistema sea más modular para que pueda incluir contribuciones de varios usuarios; en su opinión, el equipo de IBM ya ha acumulado más contribuciones del código de las que puede manejar. También mencionó que le gustaría comenzar a recopilar algo como bibliotecas de código, y señaló que cosas como implementar una transformación rápida de Fourier han demostrado su valía para resolver una gran cantidad de problemas.

Y aunque IBM alienta tales esfuerzos, Gambetta también espera que las personas despierten naturalmente interés en este tema. Desde su nacimiento, la computación cuántica ha estado en su mayor parte en el campo de la física. Los informáticos no vieron ninguna razón para hacer esto, porque el equipo simplemente no podía proporcionarles ningún cálculo. La situación está comenzando a cambiar, y la contribución de los informáticos puede ser crítica para el desarrollo de este campo, porque, como señala Gambetta, "piensan los problemas de manera diferente, no como lo hacemos nosotros los físicos".

También es optimista sobre el uso de equipos de IBM en cursos de informática. Cuando la computación cuántica se convierta en una parte regular de la educación de las personas, será más fácil para ellos relacionarse con ellas como un instrumento útil para un conjunto específico de tareas. En este punto, una computadora cuántica se convertirá en algo así como una GPU u otro equipo especializado, en el sentido de que las personas solo necesitan decidir si vale la pena una posible aceleración de la escritura de código especial.

En general, después de la visita, tuve la impresión de que la computación cuántica llegó a un punto de transición. Se necesitaba parte de la gira para observar el equipo, pero puede convertirse en la parte menos interesante de esta área. Con el movimiento del progreso y la adición de nuevos qubits, el proceso será una mejora lenta y pruebas empíricas. Y el equipo escondido dentro de un tanque cuidadosamente aislado lleno de helio líquido no es lo más interesante de ver.

Toda la tarea ahora se reduce a cómo aprovechar al máximo el equipo existente, y cómo se puede utilizar para garantizar nuestra disponibilidad para aumentar las capacidades de las computadoras. Y en ese momento, el factor humano, la recopilación de experiencia y gestión comunitaria, es cada vez más importante.