En su Quantum Summit hoy, IBM anunció el desarrollo exitoso de su QPU (Quantum Processing Unit) ‘Osprey’, su objetivo de hoja de ruta de 433 qubits para 2022. La nueva QPU aumenta significativamente la cantidad de qubits en funcionamiento dentro de una sola QPU: la QPU ‘Eagle’ de la generación anterior solo tenía 127 de ellos.
El nuevo lanzamiento es otro paso seguro para la agresiva hoja de ruta de computación cuántica de IBM, que tiene como objetivo ofrecer QPU con decenas de miles (quizás incluso cientos de miles) de qubits para 2030.
«El nuevo procesador ‘Osprey’ de 433 qubits nos acerca un paso más al punto en que las computadoras cuánticas se utilizarán para abordar problemas que antes no tenían solución», dijo el Dr. Darío Gil, vicepresidente sénior de IBM y director de investigación.
«Estamos continuamente ampliando y mejorando nuestra tecnología cuántica en hardware, software e integración clásica para enfrentar los mayores desafíos de nuestro tiempo, junto con nuestros socios y clientes en todo el mundo. Este trabajo resultará fundamental para la próxima era de supercomputación centrada en cuántica .»
El lanzamiento de Osprey es importante para IBM: justo en el medio de la hoja de ruta de IBM, lleva el mayor impulso en la cantidad de qubits dentro de un solo chip. En comparación con Eagle, Osprey aumenta el recuento de qubits 3,4 veces; es un aumento aún mayor en el conteo de qubits de lo que la compañía espera lograr dentro de tres años, cuando planea introducir la QPU Kookaburra de 4158 qubits. También es más alto que cualquier otro salto de qubit desde la presentación de Falcon y sus 27 qubits en 2019.
Debido al posicionamiento de Osprey dentro de la hoja de ruta de IBM, justo antes de que la empresa comience a explorar el escalado cuántico al interconectar múltiples QPU el próximo año con Heron y su pags Acoplamientos: el aumento en el recuento de qubits sin comprometer la calidad es excepcionalmente relevante. Pero quizás lo más impresionante es el hecho de que este salto en el conteo de qubits se diseñó al mismo tiempo que IBM sentó las bases para sus futuros productos modulares.
La compañía está mirando hacia 2023 para presentar sus QPU Heron escalables de 133 qubit, que aprovecharán los acoplamientos p para interconectar varios chips Heron. La idea es que es más fácil escalar qubits dentro de un paquete dado y vincular paquetes separados que crear una QPU monolítica.
Trae desafíos con respecto a la distribución de la carga de trabajo: hay varias formas de dividir un problema cuántico de mayor volumen para que se ajuste al chip (o chips) que tiene disponible para ejecutar los circuitos cuánticos, y la forma en que esto se hace. impacta severamente el rendimiento. Pero el escalado de varios chips es una necesidad, y adoptar este enfoque significó rediseñar todo el subsistema de electrónica de control, el puente entre la computación clásica y la cuántica.
Según el Dr. Oliver Dial, arquitecto jefe de hardware de IBM Quantum, se produjo una mejora significativa al cambiar el mecanismo de control de cúbits dentro de los refrigeradores de dilución de la empresa, el hardware responsable de enfriar los cúbits superconductores hasta casi el cero absoluto (−273,15 °C).
Antes de Osprey, IBM empleaba cables coaxiales para transmitir información de control de microondas hacia los qubits operativos. Ahora, los cables coaxiales han dado paso a cables de cinta flexibles (el mismo tipo que se usa donde hay componentes electrónicos y bisagras, como en su computadora portátil). Estos cables planos en sí mismos ocupan mucho menos espacio y ofrecen un rendimiento mucho mayor que la solución anterior, mientras que la implementación cuesta menos tiempo y recursos. El Dr. Dial dice que permitieron que IBM aumentara la densidad de control en un 70% mientras reducía los costos cinco veces.
Otro elemento importante de esta nueva generación cuántica de IBM fue el aumento del rendimiento de FPGA (Field-Programmable Gate Array) dentro del subsistema de control.
Si bien el futuro del control qubit de IBM pasa por los ASIC (Circuitos Integrados de Aplicaciones Específicas) específicos de cuántica, hasta ahora los FPGA han estado manejando la mayor parte del trabajo debido a su flexibilidad: IBM puede crear prototipos de diferentes esquemas de control dentro del diseño programable del FPGA. Esto permite una rápida experimentación e iteración hasta el momento en que la empresa tenga la confianza suficiente para seguir la ruta ASIC completa. El Dr. Dial dice que este cambio brindará otra mejora monumental en la eficiencia energética al reducir la potencia requerida para controlar un solo qubit de alrededor de 100 W a solo 10 milivatios.
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Crucialmente, el Dr. Dial dice que los qubits superconductores en Osprey han mostrado tiempos de coherencia comparables a los mejores de la compañía (a pesar del tremendo aumento en el conteo de qubits), lo que significa que el volumen cuántico puro (una estimación del rendimiento de computación cuántica que IBM y otros actores de la industria respaldan) es obligado a aumentar en línea con los recuentos de qubit.
Según IBM, el número y la calidad de los qubits en Osprey son tales que un sistema clásico que intente describir el estado computacional de sus qubits requeriría más bits disponibles que átomos hay en el universo. Parecería que ya hemos entrado en la etapa de ventaja cuántica de la ecuación.
Por supuesto, los qubits pueden mejorar tanto en cantidad como en calidad, pero las soluciones de hardware cuántico puro tienen poco que ofrecer al usuario promedio. El Dr. Dial se apresuró a señalar que cualquiera, realmente cualquiera, ahora puede hacer girar la tecnología cuántica de IBM a través de la oferta en la nube de la compañía.
La computación cuántica requiere un gran esfuerzo de abstracción que permite que los especialistas no cuánticos interactúen con estos sistemas, e IBM también ha duplicado su software Quiskit Runtime para que sea más fácil para los usuarios hacerlo: cambiar el tiempo de ejecución por precisión es tan fácil como cambiar un configuración de software.
A través de las mejoras en sus controladores, el tiempo de ejecución de Quiskit y las mejoras en los circuitos parametrizados a lo largo de 2022, IBM logró superar su puntaje de 1400 CLOPS hasta alrededor de 15 000 CLOPS, si las mejoras de rendimiento basadas en controladores de AMD en sus GPU le han valido el apodo de «buen vino». Me pregunto qué metáfora sería apropiada para este aumento de rendimiento de casi 11 veces.
Las mejoras de hardware son una parte necesaria del desarrollo de cualquier nuevo sistema tecnológico; pero la otra mitad es en realidad poner ese hardware en uso. Con ese fin, IBM en su Quantum Summit también anunció su Desafío 100×100, una iniciativa que tiene como objetivo poner una profundidad de operación de puerta de 100 qubit x 100 en manos de los usuarios para 2024. Al aprovechar la arquitectura cuántica modular de próxima generación de la compañía, Heron, IBM tiene como objetivo desafiar a los usuarios con un «¿qué encaja aquí?» pregunta: ¿qué tipo de problema computacional cuántico se puede procesar dentro de estas restricciones?
Por todo lo que sabemos sobre la computación cuántica, algo realmente especial podría surgir de este desafío: no se trata de si la humanidad verá ganancias significativas cuando comience a resolver problemas con la computación cuántica. Es simplemente una cuestión de cómo y cuándo, y este desafío brinda a IBM una forma segura de mantener esa conversación en curso. Que es, al fin y al cabo, una de las preocupaciones de la compañía para su Quantum Summit 2022.
«IBM Quantum Summit 2022 marca un momento crucial en la evolución del sector de la computación cuántica global, a medida que avanzamos en nuestra hoja de ruta cuántica. A medida que continuamos aumentando la escala de los sistemas cuánticos y simplificando su uso, continuaremos viendo adopción y crecimiento de la industria cuántica», dijo Jay Gambetta, miembro de IBM y vicepresidente de IBM Quantum. «Nuestros avances definen la próxima ola en cuántica, a la que llamamos supercomputación centrada en cuántica, donde la modularidad, la comunicación y el middleware contribuirán a mejorar la capacidad de computación escalable y la integración de flujos de trabajo clásicos y cuánticos».
A raíz de esos comentarios y la tasa de desarrollo cuántico de IBM (y la ejecución perfecta, según su hoja de ruta), parece que la apuesta de la compañía por los qubits superconductores está dando sus frutos. Como ha demostrado IBM, aún queda mucho por hacer en la optimización de los sistemas cuánticos de la empresa, además del aumento de las densidades de qubits y los tiempos de coherencia que han permitido el salto del Eagle de 127 qubits al Osprey de 433 qubits.
Osprey ahora ha tomado vuelo, pero IBM nunca ha dejado de mirar hacia el futuro de la tecnología cuántica, y eso continúa con el 2023, 1121 qubit Condor.