Existe un consenso general de que realizar cualquier tipo de algoritmo complejo en hardware cuántico tendrá que esperar a la llegada de qubits con corrección de errores. Los qubits individuales son demasiado propensos a errores como para confiar en ellos para cálculos complejos, por lo que la información cuántica deberá distribuirse entre múltiples qubits, lo que permitirá monitorear errores e intervenir cuando ocurran.

Pero la mayoría de las formas de crear estos «qubits lógicos» necesarios para la corrección de errores requieren desde docenas hasta más de cien qubits de hardware individuales. Esto significa que necesitaremos entre decenas de miles y millones de qubits de hardware para realizar cálculos. El hardware existente sólo ha superado la marca de los 1.000 qubits en el último mes, por lo que el futuro parece estar a varios años de distancia, en el mejor de los casos.

Pero el jueves, una empresa llamada Nord Quantique anunció que había demostrado la corrección de errores utilizando un único qubit con un diseño de hardware distinto. Si bien esto tiene el potencial de reducir en gran medida la cantidad de qubits de hardware necesarios para una corrección de errores útil, la demostración involucró un solo qubit; la compañía ni siquiera espera demostrar operaciones en pares de qubits hasta finales de este año.

Conoce el qubit bosónico

La tecnología subyacente a este trabajo se denomina qubit bosónico y no es nada nuevo; una empresa de instrumentos ópticos incluso tiene una lista de productos que señala su potencial de uso en la corrección de errores. Pero si bien los conceptos detrás de su uso de esta manera estaban bien establecidos, las demostraciones estaban rezagadas. Nord Quantique ha publicado un artículo en arXiv que detalla una demostración de cómo realmente reducen las tasas de error.

Los dispositivos están estructurados de forma muy parecida a un transmon, la forma de qubit preferida por los pesos pesados ​​de la tecnología como IBM y Google. Allí, la información cuántica se almacena en un bucle de cable superconductor y está controlada por lo que se llama un resonador de microondas, un pequeño trozo de material donde los fotones de microondas se reflejarán de un lado a otro durante un tiempo antes de perderse.

Un qubit bosónico cambia esa situación. En este hardware, la información cuántica se mantiene en fotones, mientras que el cable superconductor y el resonador controlan el sistema. Ambos están conectados a una cavidad coaxial (piense en una estructura que, aunque microscópica, se parece un poco al extremo de un conector de cable).

De manera enormemente simplificada, la información cuántica se almacena en la forma en que interactúan los fotones en la cavidad. El estado de los fotones se puede controlar mediante el cable resonador/superconductor conectado. Si algo parece estar mal, el resonador/cable superconductor permite realizar intervenciones para restaurar el estado original. No se necesitan qubits adicionales. «Una idea muy simple y básica detrás de la corrección de errores cuánticos es la redundancia», dijo a Ars el cofundador y director de tecnología Julien Camirand Lemyre. «Una característica de los resonadores y osciladores en circuitos superconductores es que se pueden colocar muchos fotones dentro de los resonadores. Y para nosotros, la redundancia viene de ahí».

Este proceso no corrige todos los errores posibles, por lo que no elimina la necesidad de qubits lógicos creados a partir de múltiples qubits de hardware subyacentes. Sin embargo, en teoría, se pueden detectar las dos formas más comunes de errores a las que son propensos los qubits (cambios de bits y cambios de fase).

En la preimpresión de arXiv, el equipo de Nord Quantique demostró que el sistema funciona. Usando un solo qubit y simplemente midiendo si mantiene su estado original, el sistema de corrección de errores puede reducir los problemas en un 14 por ciento. Desafortunadamente, la fidelidad general también es baja, comenzando en alrededor del 85 por ciento, lo que está significativamente por debajo de lo que se ve en otros sistemas que han pasado por años de trabajo de desarrollo. Se ha demostrado que algunos qubits tienen una fidelidad superior al 99 por ciento.

Volviéndose competitivo

Así que no hay duda de que Nord Quantique está muy por detrás de varios líderes en computación cuántica que pueden realizar cálculos (propensos a errores) con docenas de qubits y tienen tasas de error mucho más bajas. Una vez más, el trabajo de Nord Quantique se realizó utilizando un solo qubit y sin realizar ninguna de las operaciones necesarias para realizar un cálculo.

Lemyre dijo a Ars que, si bien la empresa es pequeña, se beneficia de ser una filial del Institut Quantique de la Universidad Sherbrooke de Canadá, uno de los principales centros de investigación cuántica de Canadá. Además de tener acceso a la experiencia allí, Nord Quantique utiliza una instalación de fabricación en Sherbrooke para fabricar su hardware.

Durante el próximo año, la compañía espera demostrar que el esquema de corrección de errores puede funcionar mientras se utilizan pares de qubits para realizar operaciones de puerta, las unidades fundamentales de cálculo. Otra alta prioridad es combinar esta corrección de errores basada en hardware con esquemas de qubit lógicos más tradicionales, lo que permitiría detectar y corregir tipos adicionales de errores. Esto implicaría operaciones con una docena o más de estos qubits bosónicos a la vez.

Pero el verdadero desafío será a largo plazo. La empresa cuenta con la capacidad de su hardware para manejar la corrección de errores para reducir la cantidad de qubits necesarios para cálculos útiles. Pero si sus competidores pueden aumentar la cantidad de qubits lo suficientemente rápido mientras mantienen el control y las tasas de error necesarias, en última instancia eso puede no importar. Dicho de otra manera, si Nord Quantique todavía está en el rango de cientos de qubits cuando otras empresas están en los cientos de miles, su tecnología podría no tener éxito incluso si tiene algunas ventajas inherentes.

Pero esa es la parte divertida del campo tal como están las cosas: realmente no lo sabemos. Un puñado de tecnologías muy diferentes ya están en desarrollo y son prometedoras. Y hay otros conjuntos que aún se encuentran en una etapa temprana del proceso de desarrollo, pero que se cree que tienen un camino más sencillo para escalar a números útiles de qubits. Todos ellos tendrán que escalar a un mínimo de decenas de miles de qubits y al mismo tiempo permitir la capacidad de realizar manipulaciones cuánticas que eran ciencia de vanguardia hace apenas unas décadas.

En el fondo se vislumbra el simple hecho de que nunca hemos intentado escalar algo como esto en la medida que será necesario. Obstáculos técnicos imprevistos podrían limitar el progreso en algún momento en el futuro.

A pesar de todo esto, hay personas que respaldan cada una de estas tecnologías y que saben mucho más sobre mecánica cuántica que yo. Es un momento divertido.

El lunes, IBM anunció que había producido los dos sistemas cuánticos que su hoja de ruta había programado para su lanzamiento en 2023. Uno de ellos se basa en un chip llamado Condor, que es el procesador cuántico basado en transmon más grande lanzado hasta ahora, con 1.121 qubits en funcionamiento. . El segundo se basa en una combinación de tres chips Heron, cada uno de los cuales tiene 133 qubits. Los chips más pequeños como Heron y su sucesor, Flamingo, desempeñarán un papel fundamental en la hoja de ruta cuántica de IBM, que también recibió una importante actualización hoy.

Según la actualización, IBM tendrá qubits con corrección de errores funcionando para finales de la década, gracias a las mejoras en los qubits individuales realizadas a lo largo de varias iteraciones del chip Flamingo. Si bien estos sistemas probablemente no pondrán en riesgo cosas como los esquemas de cifrado existentes, deberían poder ejecutar de manera confiable algoritmos cuánticos que son mucho más complejos que cualquier cosa que podamos hacer hoy.

Hablamos con Jay Gambetta de IBM sobre todo lo que la compañía anuncia hoy, incluidos los procesadores existentes, las hojas de ruta futuras, para qué se podrían usar las máquinas en los próximos años y el software que lo hace todo posible. Pero para entender lo que está haciendo la empresa, tenemos que retroceder un poco y observar hacia dónde se mueve el campo en su conjunto.

Qubits y qubits lógicos

Casi todos los aspectos del trabajo con un qubit son propensos a errores. Establecer su estado inicial, mantener ese estado, realizar operaciones y leer el estado pueden introducir errores que impedirán que los algoritmos cuánticos produzcan resultados útiles. Por lo tanto, uno de los principales objetivos de todas las empresas que producen hardware cuántico ha sido limitar estos errores, y se han logrado grandes avances en ese sentido.

Hay algunos indicios de que esos avances nos han llevado al punto en el que es posible ejecutar algunos algoritmos cuánticos más simples en el hardware existente. Y es probable que este potencial se expanda a otros algoritmos gracias a las mejoras que probablemente podamos esperar en los próximos años.

Sin embargo, a largo plazo, es poco probable que alguna vez consigamos que el hardware qubit llegue al punto en el que la tasa de error sea lo suficientemente baja como para que un procesador pueda completar con éxito un algoritmo complejo que podría requerir miles de millones de operaciones durante horas de cálculo. Para ello, generalmente se reconoce que necesitaremos qubits con corrección de errores. Estos implican difundir la información cuántica contenida en un qubit, denominado «qubit lógico», entre múltiples qubits de hardware. Se utilizan qubits adicionales para monitorear el qubit lógico en busca de errores y permitir su corrección.

Computar utilizando qubits lógicos requiere dos cosas. Una es que las tasas de error de los qubits de hardware individuales deben ser lo suficientemente bajas como para que los errores individuales puedan identificarse y corregirse antes de que se produzcan otros nuevos. (Hay algunos indicios de que el hardware es lo suficientemente bueno para que esto funcione con eficiencia parcial). Lo segundo que necesita son muchos qubits de hardware, ya que cada qubit lógico requiere múltiples qubits de hardware para funcionar. Algunas estimaciones sugieren que necesitaremos un millón de qubits de hardware para crear una máquina capaz de albergar una cantidad útil de qubits lógicos.

IBM ahora dice que espera tener una cantidad útil de qubits lógicos para finales de la década, y Gambetta explicó cómo los anuncios de hoy encajan en esa hoja de ruta.

Qubits y puertas

Gambetta dijo que la compañía ha adoptado un enfoque de dos vías para preparar su hardware. Un aspecto de esto ha sido el desarrollo de la capacidad de fabricar consistentemente grandes cantidades de qubits de alta calidad. Y dijo que el Condor de más de 1.000 qubits es una indicación de que la empresa está en buena forma en ese sentido. «Se trata de qubits aproximadamente un 50 por ciento más pequeños», dijo Gambetta a Ars. «El rendimiento está a la altura: obtuvimos un rendimiento cercano al 100 por ciento».

El segundo aspecto en el que IBM ha estado trabajando es en limitar los errores que ocurren cuando las operaciones se realizan en qubits individuales o en pares. Estas operaciones, denominadas puertas, pueden ser propensas a errores en sí mismas. Y cambiar el estado de un qubit puede producir señales sutiles que pueden transmitirse a los qubits vecinos, un fenómeno llamado diafonía. Heron, el más pequeño de los nuevos procesadores, representa un esfuerzo de cuatro años para mejorar el rendimiento de la puerta. «Es un dispositivo hermoso», dijo Gambetta. «Es cinco veces mejor que los dispositivos anteriores, los errores son mucho menores, [and] La diafonía realmente no se puede medir».

Muchas de las mejoras se reducen a la introducción de acopladores sintonizables en los qubits, un cambio con respecto al hardware de frecuencia fija que la empresa había utilizado anteriormente. Esto ha acelerado todas las operaciones de las puertas, y algunas han visto un aumento de 10 veces. Cuanto menos tiempo se dedique a hacer algo con un qubit, menos posibilidades habrá de que surjan errores.

Muchas de estas mejoras se probaron en múltiples iteraciones del chip Eagle de la compañía, que se introdujo por primera vez en 2021. La nueva hoja de ruta de la compañía incluirá una iteración mejorada del Heron de 133 qubit lanzada el próximo año que permitirá 5000 operaciones de puerta. A esto le seguirán múltiples iteraciones del procesador Flamingo de 156 qubit del próximo año que llevará las operaciones de puerta a 15.000 para 2028.

Estos chips también se vincularán entre sí en procesadores más grandes como Crossbill y Kookaburra que también aparecen en la hoja de ruta de IBM (por ejemplo, se podrían vincular siete Flamingos para crear un procesador con un número de qubits similar al del Condor actual). La atención se centrará aquí en probar diferentes formas de conectar qubits, tanto dentro como entre chips.

La ciencia (como nosotros) no siempre está segura de dónde está el mejor futuro posible, y la informática no es una excepción. Ya sea en los sistemas semiconductores clásicos o en la realidad prospectiva de la computación cuántica, a veces hay múltiples caminos a seguir (y aquí está nuestro manual sobre computación cuántica si desea un repaso). Los qubits superconductores de Transmon (como los utilizados por IBM, Google y Alice&Bob) han ganado terreno como uno de los tipos de qubits más prometedores. Pero una nueva investigación del MIT podría abrir la puerta a otro tipo de qubits superconductores que son más estables y podrían ofrecer circuitos de cálculo más complejos: los qubits de fluxonio.

Los qubits son el equivalente de la computación cuántica a los transistores: si se combinan un número cada vez mayor de ellos, se obtendrá un mayor rendimiento informático (en teoría). Pero mientras que los transistores son deterministas y solo pueden representar un sistema binario (piense en el resultado como cualquier cara de una moneda, asignada a 0 o 1), los qubits son probabilísticos y pueden representar las diferentes posiciones de la moneda mientras gira en el aire. . Esto le permite explorar un espacio más grande de posibles soluciones que el que se puede representar fácilmente mediante lenguajes binarios (razón por la cual la computación cuántica puede ofrecer un procesamiento mucho más rápido de ciertos problemas).

Una nueva investigación sobre la computación cuántica ha proporcionado un registro de entrelazamiento cuántico que demuestra que estamos bien encaminados hacia la computación post-NISQ (Noisy-Intermediate Scale Quantum). La nueva investigación, dirigida por Xiao-bo Zhu en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, dio como resultado un récord de 51 qubits (el equivalente de computación cuántica a los transistores) entrelazados, una capacidad necesaria para desbloquear la computación cuántica probabilística que promete proporcionar un salto cuantitativo en las capacidades de procesamiento de la humanidad.

Zuchongzhi, la computadora cuántica utilizada para lograr los resultados de los experimentos, se empaqueta en 66 qubits superconductores, la misma tecnología de qubit respaldada por IBM y otras empresas líderes en el espacio de la computación cuántica. Esta es la misma tecnología en la que IBM logró recientemente la utilidad cuántica a través de su Eagle QPU (Quantum Processing Unit) de 127 qubits, que muestra a varios jugadores que está ocurriendo una vida particular en el espacio de los qubits superconductores.

Un equipo de investigadores de IBM en asociación con UC Berkeley y la Universidad de Purdue han logrado extraer computación cuántica útil de una de las computadoras NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum) actuales. El equipo utilizó una de las últimas Unidades de Procesamiento Cuántico (QPU) de IBM, Eagle, para realizar cálculos que se esperaba fallaran en medio del ruido qubit. Sin embargo, al utilizar un mecanismo de retroalimentación inteligente entre la QPU Eagle de 127 qubits de IBM y las supercomputadoras con UC Berkeley y la Universidad de Purdue, IBM logró demostrar que podía obtener resultados útiles de una QPU ruidosa. La puerta a la utilidad cuántica está abierta, y estamos mucho antes de lo esperado.

Nuestras computadoras cuánticas de la era NISQ están conectadas a nuestras supercomputadoras estándar: las máquinas más poderosas conocidas por la humanidad, capaces de realizar billones de operaciones por segundo. Por poderosos que sean, es una verdad universal que cuando dos sujetos están atados juntos, solo se mueven tan rápido como lo permite el más lento de ellos. Y la supercomputadora ya estaba al límite para este experimento, utilizando técnicas avanzadas para mantenerse al día con la complejidad de la simulación.

Origin Quantum, con sede en China, anunció esta semana que había entregado su primera computadora cuántica comercial, llamada Wuyuan. Este es un hito, ya que China se convierte en el tercer país después de EE. UU. y Canadá en ingresar a la era de la computación cuántica, informa South China Morning Post. La máquina utiliza tecnología de chip superconductor y está equipada con su propia pila de software.

Se dice que Wuyuan de Origin Quantum cuenta con 24 qubits, aunque no está claro cuántas unidades de procesamiento cuántico (QPU) utiliza. La compañía tampoco revela ningún detalle sobre sus QPU. Mientras tanto, SCMP informa que la computadora cuántica viene con un sistema operativo apropiado, software y una plataforma de computación en la nube que permite el uso remoto compartido.

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.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Sydney ha logrado un gran avance en los tiempos de coherencia de los qubits de espín (se abre en una pestaña nueva). La investigación aprovechó el trabajo previo del equipo en los llamados qubits «vestidos»: qubits constantemente bajo el efecto de un campo electromagnético que los protege de la interferencia. Además, los investigadores aprovecharon un protocolo recientemente diseñado, SMART, (se abre en una pestaña nueva) que aprovecha los tiempos de coherencia aumentados para permitir que los qubits individuales sean persuadidos de manera segura para realizar los cálculos requeridos.

Las mejoras permitieron a los investigadores registrar tiempos de coherencia de hasta dos milisegundos, más de cien veces más altos que los métodos de control similares en el pasado, pero todavía muy lejos de la cantidad de tiempo que tardan los párpados en parpadear.

La compañía china Baidu ha lanzado su primera computadora cuántica superconductora llamada «Qian Shi», que afirma que es la primera «solución de integración de software y hardware cuántico para todas las plataformas» del mundo y que ya está disponible para el público.

La computadora cuántica de 10 qubits(Se abre en una nueva ventana) se reveló en la conferencia Quantum Create 2022 en Beijing, y combina el hardware de Baidu, la pila de software (llamada Liang Xi) y una serie de «aplicaciones cuánticas prácticas». La compañía también señala que otras computadoras cuánticas disponibles comercialmente actualmente solo ofrecen hasta 7 qubits de rendimiento.

Baidu es probablemente mejor conocido por su motor de búsqueda, pero cree que su computadora cuántica puede ayudar en el rápido desarrollo de la inteligencia artificial, la biología computacional, la simulación de materiales y la tecnología financiera. Las aplicaciones que ya existen incluyen algoritmos cuánticos para el desarrollo de nuevas baterías de litio y simulaciones de plegamiento de proteínas.

Otros jugadores en este campo están trabajando en computadoras cuánticas significativamente más poderosas en este momento. Fujitsu comenzará a vender una máquina de 64 qubits en 2023 y luego una máquina de 1000 qubits después de marzo de 2027. Google ya tiene una computadora cuántica de 53 qubits en su laboratorio e IBM demostró una máquina de 127 qubits el año pasado. Sin embargo, IBM tiene como objetivo lograr más de 4000 qubits para 2025(Se abre en una nueva ventana). Mientras tanto, Baidu ahora está trabajando en un chip cuántico de 36 quibits.

Cuando se realicen por completo, las computadoras cuánticas impulsarán a la humanidad a través de problemas que parecen imposibles de resolver hoy. Pero incluso los problemas imposibles tienen una forma de demostrar que son posibles, dado el tiempo suficiente: al igual que los humanos que podían volar parecían imposibles antes de que los hermanos Wright reescribieran el futuro.

Una de las principales limitaciones de los qubits actuales es que pueden decoherirse muy rápidamente, pasando de un estado en el que proporcionan trabajo práctico a otro en el que los cálculos no proporcionan resultados precisos. Así que es otro tipo de carrera contra el tiempo, una en la que los investigadores del Instituto Japonés de Ciencias Moleculares ahora han saltado al primer lugar. (se abre en una pestaña nueva) rompiendo el récord anterior de la operación de puerta de dos qubits más rápida jamás realizada en computación cuántica. (se abre en una pestaña nueva)