IBM anunció el miércoles que ha logrado conectar y enfriar dos «refrigeradores» cuánticos criogénicos, demostrando así una arquitectura modular diseñada para vincular, en el futuro, cientos de chips cuánticos en computadoras cuánticas más potentes.
La compañía presentó este avance como un hito en su camino hacia el lanzamiento de IBM Quantum Starling en 2029; se espera que este sistema sea la primera computadora cuántica del mundo tolerante a fallos e integre avances en corrección de errores, diseño de procesadores, decodificación e ingeniería de sistemas.
«Llevar las computadoras cuánticas tolerantes a fallos a las industrias depende de varios avances fundamentales», afirmó en un comunicado Jay Gambetta, director de investigación de IBM y *IBM Fellow*.
«La conexión y el funcionamiento exitosos de estos módulos criogénicos representan un gran paso adelante en esa dirección», continuó, «y acelerarán nuestro progreso, junto con la innovación continua en hardware, software y algoritmos cuánticos».
Escalando en condiciones de frío extremo.
IBM explicó que los refrigeradores cuánticos —que miden más de 2,4 metros (ocho pies) de altura y anchura— pueden enfriarse conjuntamente hasta los 4 Kelvin (la temperatura del helio líquido) en menos de cinco días y alcanzar una temperatura final inferior a 15 milikelvin poco después.
«La temperatura supone un desafío porque los materiales superconductores solo son estables a temperaturas extremadamente bajas», explicó Luke Wang, analista de renta variable de Morningstar Research Services en Chicago.
«Los cúbits también son frágiles, y la temperatura es uno de los factores que pueden afectar a su rendimiento», declaró.
IBM también señaló que la cámara de vacío de cada módulo ofrece hasta 12 veces más espacio para el cableado que los sistemas cuánticos de IBM más utilizados, lo que permite realizar más conexiones entre chips, tanto dentro de un mismo módulo como entre módulos diferentes.
La compañía planea instalar procesadores Nighthawk en los módulos a finales de este año para realizar pruebas adicionales, y tiene como objetivo utilizar esta arquitectura para soportar al menos 1.000 cúbits programables para el año 2027.
«Los cúbits superconductores deben mantenerse a unas milésimas de grado por encima del cero absoluto —una temperatura más fría que la del espacio profundo— dentro de un refrigerador de dilución», explicó Yuval Boger, director comercial de QuEra Computing, una empresa con sede en Boston que fabrica computadoras cuánticas basadas en átomos neutros. «Eso funciona bien para decenas o cientos de cúbits, pero cada cúbit que se añade implica más cableado de control en el entorno criogénico, y cada cable transmite calor», declaró. «Por tanto, la capacidad de refrigeración, la densidad del cableado y el espacio ocupado se convierten en limitaciones a medida que se escala el sistema; esa es una de las razones principales por las que se investigan enfoques modulares, como este, que permiten interconectar chips».
Un hito incremental.
Boger coincidió en que este desarrollo representa un hito de ingeniería significativo.
«Durante años, el gran desafío de la computación cuántica superconductora ha sido cómo ir más allá de un único chip», señaló. «Conectar varios chips para formar una sola máquina replantea el escalado como un problema de sistemas modulares, que es la forma en que evolucionó la supercomputación clásica».
No obstante, añadió: «Conviene precisar qué es exactamente lo que se está escalando. Se trata de avances en cúbits físicos e interconexiones. Si tiene éxito, permitirá reducir los elevados costes, el consumo energético y el espacio que requieren los cúbits superconductores, al disminuir el número de unidades de refrigeración criogénica necesarias».
Sam Lucero, consultor independiente de estrategia e investigación en Phoenix y exanalista de computación cuántica de la firma global de investigación y consultoría Omdia, calificó el desarrollo de IBM como un avance incremental. «Creo que es un paso incremental en su camino hacia la creación de una infraestructura que escale mejor de lo que lo han hecho los refrigeradores de dilución tradicionales», declaró.
«Considero realmente necesario que hagan esto para fabricar computadoras cuánticas que sean económicamente viables en el futuro», añadió.
Escalar sin desestabilizar los cúbits.
El anuncio es significativo porque la corrección práctica de errores cuánticos está cada vez más cerca, señaló Garfield Jones, vicepresidente ejecutivo de estrategia e investigación de QuSecure, un fabricante de soluciones de seguridad resistentes a la computación cuántica con sede en San Mateo, California.
«La capacidad de conectar chips cuánticos mediante un avance en la arquitectura criogénica estabilizará los cúbits, aumentando así la potencia de la computación cuántica», dijo.
«Los cúbits no funcionan bien en entornos con ruido; por ello, necesitan un ambiente frío, silencioso y libre de polvo para estabilizarse», explicó. «La posibilidad de conectar chips entre sí sin alterar los cúbits es un avance enorme».
La configuración multimódulo de IBM supone una mejora en el diseño de refrigeración criogénica por dilución que debería abaratar la tecnología, agregó Roger Grimes, de Palm Harbor (Florida), CISO especializado en el ámbito poscuántico y autor de 17 libros, tres de ellos sobre computación cuántica. «No he visto los precios, pero esto debería reducir el coste por cúbit y por chip», comentó.
Superenfriamiento de cúbits.
Grimes explicó que el desafío más difícil que queda pendiente para las computadoras cuánticas es crear y gestionar cúbits que permanezcan estables y operativos hasta que se resuelva un problema.
«El resto del mundo natural —principalmente electrones o fotones— intenta interferir con esos cúbits creados por la computadora y desestabilizarlos prematuramente antes de que se resuelva el problema; este fenómeno se conoce como decoherencia», afirmó.
«La mayoría de los proveedores intentan solucionar la decoherencia prematura utilizando cúbits y procesos adicionales de corrección de errores», continuó. «A veces se requieren muchos cúbits de corrección adicionales —llamados cúbits auxiliares— por cada ‘cúbit de trabajo’ para crear lo que en el mundo cuántico se denomina ‘cúbit lógico'».
Grimes añadió que, en la mayoría de las computadoras cuánticas, hay muchos «qubits físicos» por cada qubit lógico. «Necesitar menos qubits físicos por qubit lógico sigue siendo uno de los desafíos y objetivos fundamentales de las computadoras cuánticas actuales», afirmó.
«En general, si se logra enfriar los qubits de la computadora hasta una temperatura apenas superior a los 0 Kelvin, suele haber mucha menos interferencia natural y los qubits permanecen coherentes —en lugar de perder la coherencia— durante más tiempo», continuó.
«Las soluciones de refrigeración por dilución criogénica fueron algunos de los primeros métodos para lograr este enfriamiento extremo», agregó. «Lamentablemente, estas soluciones son costosas de adquirir, voluminosas, consumen mucha energía y su funcionamiento resulta caro».
Alternativas a la refrigeración por dilución.
Otras arquitecturas cuánticas, incluidos los sistemas de átomos neutros y los de iones atrapados, no requieren la misma refrigeración por dilución a nivel de milikelvin que utilizan los qubits superconductores.
En los sistemas de iones atrapados, los átomos se enfrían con láseres para mantenerlos inmóviles, pero no se utilizan refrigeradores por dilución ni sistemas de tuberías criogénicas alrededor de la máquina.
En el caso de los sistemas de átomos neutros, las ventajas prácticas incluyen un menor consumo de energía, una menor ocupación de espacio en las instalaciones y una integración más sencilla en centros de computación de alto rendimiento (HPC) o centros de datos que no fueron diseñados originalmente para albergar un refrigerador que opere a temperaturas de milikelvin.
«También existen ventajas arquitectónicas más allá de la temperatura», añadió Boger, de QuEra. «Los átomos son idénticos por naturaleza. Pueden organizarse en grandes matrices reconfigurables y, dado que es posible desplazar físicamente un qubit para que interactúe con cualquier otro, se obtiene una conectividad de ‘todos con todos’ sin la carga operativa que implican las configuraciones fijas de los chips».
No obstante, reconoció que las puertas superconductoras son más rápidas en términos de operaciones individuales y que la tecnología superconductora cuenta actualmente con el ecosistema de software más maduro.
«Se trata de una competencia sana, más que de la aparición de un único ganador», señaló. «Las tecnologías de superconductores, átomos neutros, iones atrapados y fotónica avanzan en diferentes vertientes, y esa diversidad es beneficiosa para el campo, ya que aún no sabemos qué enfoque resultará vencedor para cada tipo de carga de trabajo».
«Las cifras de qubits físicos y de chips generan titulares llamativos, pero el dato que realmente importará es la cantidad de qubits lógicos fiables», agregó. «Esa es la carrera que merece la pena seguir en los próximos años».
