IBM ha conectado y enfriado conjuntamente sus dos primeros módulos criogénicos cuánticos, una infraestructura diseñada para poder enlazar en el futuro cientos de chips dentro de sistemas de mayor tamaño. Las primeras pruebas han llevado el conjunto por debajo de los 15 milikelvin, un paso de ingeniería que la compañía vincula con su objetivo de construir IBM Quantum Starling, su ordenador cuántico tolerante a fallos previsto para 2029.
Las claves de los nuevos sistemas criogénicos de IBM en 30 segundos
- IBM ha conectado dos módulos criogénicos para que funcionen dentro de un mismo entorno ultrafrío.
- El sistema alcanza primero los 4 kelvin en menos de cinco días y posteriormente baja de 15 milikelvin.
- Cada módulo ofrece hasta 12 veces más espacio para cableado que los sistemas cuánticos de IBM más utilizados actualmente.
- La arquitectura permitirá probar conexiones entre varios procesadores y forma parte del camino hacia Starling en 2029.
El anuncio puede parecer menos espectacular que presentar un procesador con más qubits, pero apunta a uno de los problemas físicos que aparecen al intentar escalar la computación cuántica: no basta con fabricar chips cada vez mayores. También hay que alimentarlos, controlarlos, conectarlos y mantenerlos en unas condiciones térmicas extremas sin que toda esa infraestructura termine convirtiéndose en un límite.
Un ordenador cuántico necesita mucho más que qubits
Los procesadores cuánticos superconductores trabajan a temperaturas extremadamente bajas. En esas condiciones se intenta reducir la energía térmica que puede interferir en el delicado estado de los qubits.
Por eso los grandes sistemas cuánticos utilizan refrigeradores de dilución, estructuras de varias etapas capaces de aproximarse al cero absoluto, situado en 0 kelvin o -273,15 ºC.
La nueva instalación de IBM lleva este planteamiento hacia una arquitectura modular.
Los dos primeros módulos operativos superan conjuntamente los 2,4 metros de altura y los 2,4 metros de anchura. Durante las pruebas iniciales pudieron alcanzar de forma conjunta los 4 kelvin, aproximadamente la temperatura del helio líquido, en menos de cinco días. Posteriormente descendieron hasta situarse por debajo de los 15 milikelvin.
IBM compara esta última temperatura con la del espacio profundo y señala que es más de 180 veces inferior.
La cifra sirve para entender las condiciones en las que debe funcionar este tipo de hardware, pero la temperatura no es la única parte relevante del anuncio.
El espacio también importa.
Cada cámara de vacío dispone de hasta 12 veces más espacio para cableado que los sistemas cuánticos de IBM más utilizados actualmente. Esa capacidad adicional está pensada para incorporar un número mucho mayor de conexiones entre procesadores, tanto dentro de cada módulo como entre módulos diferentes.
Y ahí aparece uno de los principales retos de la próxima generación de ordenadores cuánticos.
IBM quiere escalar conectando procesadores
La industria lleva años aumentando el número de qubits, pero construir procesadores monolíticos cada vez mayores presenta dificultades técnicas.
Una alternativa consiste en seguir un camino que recuerda, con todas las diferencias que exige la computación cuántica, a la evolución de otras arquitecturas informáticas: combinar varios módulos para construir sistemas mayores.
El nuevo diseño criogénico de IBM tiene forma de caja y permite colocar diferentes unidades en una misma fila.
Dentro de esa infraestructura entran en juego los denominados L-couplers, conexiones desarrolladas por IBM para enlazar chips cuánticos separados y permitir que formen parte de un sistema mayor.
La compañía prevé utilizar esta tecnología en 2027 para conectar múltiples procesadores y alcanzar al menos 1.000 qubits programables. Su hoja de ruta contempla que Nighthawk pueda escalar hasta nueve módulos de 120 qubits, con hasta 1.080 qubits y circuitos de 10.000 puertas durante ese periodo.
Antes habrá que comprobar cómo se comporta la infraestructura con procesadores reales.
IBM tiene previsto instalar procesadores Quantum Nighthawk en los nuevos módulos criogénicos durante 2026 para ampliar las pruebas operativas.
Nighthawk dispone actualmente de 120 qubits programables y utiliza una topología de retícula cuadrada en la que cada qubit puede conectarse con hasta cuatro vecinos. IBM lo considera su plataforma para aumentar progresivamente la complejidad de las cargas antes de llegar a sistemas tolerantes a fallos a gran escala.
El objetivo no consiste únicamente en introducir más qubits dentro de una nevera cuántica. IBM necesita demostrar que puede mantener las condiciones criogénicas y controlar múltiples procesadores mientras aumenta enormemente el número de conexiones.
De Nighthawk a Starling: el objetivo está puesto en 2029
La pieza que permite entender mejor el anuncio es IBM Quantum Starling.
La compañía lleva tiempo situando 2029 como el año en el que espera poner a disposición de sus clientes su primer ordenador cuántico tolerante a fallos a gran escala.
La tolerancia a fallos intenta solucionar una de las principales limitaciones de la computación cuántica actual. Los qubits son muy sensibles al ruido y pueden cometer errores durante las operaciones. Para ejecutar algoritmos largos y fiables se necesitan mecanismos capaces de detectar y corregir esos errores mientras continúa el cálculo.
IBM está desarrollando para ello una arquitectura basada en códigos de corrección de errores y diferentes generaciones de procesadores y conexiones.
Su planificación incluye Nighthawk para ampliar la escala y complejidad de los circuitos, además de arquitecturas como Kookaburra y Cockatoo destinadas a demostrar componentes necesarios para los futuros sistemas tolerantes a fallos.
Starling representa la siguiente gran meta.
IBM prevé que el sistema disponga de 200 qubits lógicos y pueda ejecutar 100 millones de operaciones o puertas cuánticas, una diferencia importante frente a limitar la comparación al número de qubits físicos instalados.
Un qubit lógico se construye utilizando varios qubits físicos junto con técnicas de corrección de errores. Por tanto, los miles de qubits físicos que podrían albergar los módulos criogénicos no deben confundirse con los 200 qubits lógicos previstos para Starling.
La compañía proyecta ir todavía más lejos posteriormente. Su hoja de ruta contempla Blue Jay para 2033 o después, con hasta 2.000 qubits y capacidad para ejecutar 1.000 millones de operaciones cuánticas.
Son objetivos empresariales y tecnológicos, no capacidades disponibles actualmente. La propia IBM advierte en su hoja de ruta de que estos planes representan sus intenciones actuales y pueden modificarse.
La infraestructura empieza a ser tan importante como el procesador
El nuevo sistema criogénico también refleja un cambio interesante en la evolución de la computación cuántica.
Durante años buena parte de la atención se ha concentrado en los procesadores y el número de qubits. A medida que los sistemas crecen, la infraestructura que rodea al chip gana protagonismo.
Refrigeración, electrónica de control, cableado, interconexiones, decodificación de errores y sistemas clásicos de computación de alto rendimiento tienen que trabajar conjuntamente.
IBM Quantum System Two ya sigue parte de esta filosofía. Su arquitectura combina infraestructura criogénica escalable, electrónica modular de control y servidores clásicos de ejecución, y permite integrar varias unidades de procesamiento cuántico (QPU) dentro de un entorno de centro de datos.
Tres componentes esenciales utilizados en System Two se han incorporado también a la nueva arquitectura criogénica modular. La intención es que puedan probarse y modificarse de forma independiente, en lugar de tener que rediseñar el sistema completo cada vez que cambia uno de sus elementos.
El reto crecerá considerablemente durante los próximos años.
IBM reconoce en su planificación que alcanzar sistemas posteriores como Blue Jay exigirá nueva electrónica de control e infraestructura criogénica, además de mejoras para contener el espacio ocupado, el consumo energético y el coste de estas máquinas.
Por eso conectar dos enormes refrigeradores y llevarlos conjuntamente hasta menos de 15 milikelvin no significa que la computación cuántica tolerante a fallos esté resuelta. Sí demuestra una pieza concreta de la ingeniería que será necesaria si IBM quiere convertir cientos de chips independientes en una única máquina cuántica de gran escala.
El siguiente examen será hacerlo con más procesadores, más conexiones y sistemas de corrección de errores cada vez más complejos sin perder la estabilidad que necesitan los qubits.
Preguntas frecuentes
¿A qué temperatura funcionan los nuevos sistemas criogénicos de IBM?
Las primeras pruebas han conseguido llevar los dos módulos conectados por debajo de 15 milikelvin, después de alcanzar los 4 kelvin en menos de cinco días.
¿Por qué necesita IBM refrigeradores tan grandes para sus ordenadores cuánticos?
Los procesadores superconductores necesitan temperaturas extremadamente bajas. Además, los futuros sistemas requerirán mucho más espacio para cableado y conexiones entre numerosos chips cuánticos.
¿Qué es IBM Quantum Starling?
Starling es el ordenador cuántico tolerante a fallos que IBM prevé poner a disposición de clientes en 2029. La compañía proyecta que tenga 200 qubits lógicos y capacidad para ejecutar 100 millones de operaciones cuánticas.
¿Significa este anuncio que IBM ya tiene un ordenador cuántico tolerante a fallos?
No. El sistema criogénico es una pieza de la infraestructura necesaria para llegar a ese objetivo. IBM todavía debe completar otros avances en procesadores, interconexión, corrección de errores, decodificación y software.
vía: Video de IBM
