Nuevo hito cu¨¢ntico: IBM alcanza con el nuevo procesador Osprey los 433 c¨²bits, m¨¢s capacidad que el n¨²mero de ¨¢tomos del universo

¡°Un ordenador cu¨¢ntico de 273 c¨²bits tiene m¨¢s memoria que ¨¢tomos el universo observable¡±, seg¨²n Alberto Casas, investigador del CSIC y autor de La revoluci¨®n cu¨¢ntica (Ediciones B, 2022). El f¨ªsico auguraba en su libro una inminente consecuci¨®n de este hito, que ya se ha logrado. La multinacional IBM ha presentado este mi¨¦rcoles su nuevo procesador Osprey (¨¢guila pescadora), con el que ha alcanzado los 433 c¨²bits, m¨¢s del triple de capacidad de la conseguida hace solo un a?o con el Eagle (127 c¨²bits) y una d¨¦cima parte de la que esperan en 2025. Es un paso necesario para desarrollar ordenadores cu¨¢nticos efectivos, capaces de hacer c¨¢lculos pr¨¢cticos a gran escala de forma robusta, sin errores.

La f¨ªsica cl¨¢sica no explica nuestro mundo, aunque hasta ahora nos ha servido, en especial, en el ¨¢mbito macrosc¨®pico. La ciencia cu¨¢ntica, que estudia la naturaleza y las interacciones a escala at¨®mica y subat¨®mica, comienza a aportar posibles explicaciones y mantiene dos v¨ªas que se entrecruzan: la te¨®rica, que aspira a contestar a preguntas fundamentales, como qu¨¦ es la materia oscura que conforma el universo, y la pr¨¢ctica, que quiere aplicar las leyes cu¨¢nticas a procesos como la computaci¨®n para multiplicar exponencialmente la capacidad para estudiar y comprender la vida y todo lo que la rodea. Este ¨²ltimo camino ha superado una nueva meta.

Un c¨²bit es la unidad m¨ªnima de computaci¨®n cu¨¢ntica y, a diferencia del bit convencional ¡ªel que se utiliza en la tecnolog¨ªa com¨²n¡ª, no tiene solo dos valores (0 y 1), sino que puede tener estos o cualquier superposici¨®n de ellos. Si un superordenador actual puede hacer millones de operaciones con bites (el Summit de IBM es capaz de procesar m¨¢s de 200.000 millones de c¨¢lculos por segundo), uno cu¨¢ntico puede ejecutar trillones. De ah¨ª la importancia de aumentar la capacidad de c¨²bits en los modelos en desarrollo y minimizar los errores que afectan a esta tecnolog¨ªa.

Este es uno de los logros de IBM, que mantiene su hoja de ruta para conseguir un computador cu¨¢ntico efectivo. El hito anunciado este mi¨¦rcoles, que se ha conseguido con innovaciones en la programaci¨®n (software) y en el hardware (elementos f¨ªsicos o materiales de los ordenadores y sistemas inform¨¢ticos), es la base para el futuro lanzamiento del C¨®ndor, que ser¨¢ el primer procesador cu¨¢ntico universal de m¨¢s de 1.000 c¨²bits. A este le seguir¨¢ el Kookaburra (Cucaburra), previsto para 2025 y que tendr¨¢ una capacidad de m¨¢s de 4.000. Seg¨²n el director ejecutivo de IBM, Arvind Krishna, este ¨²ltimo computador ¡°ser¨¢ capaz de ejecutar c¨¢lculos que precisar¨ªan de un ordenador tradicional de casi el tama?o de la Tierra¡±.

En esta carrera por la ¡°ventaja cu¨¢ntica¡±, t¨¦rmino que hace referencia a desarrollos basados en esta f¨ªsica que superen a los computadores cl¨¢sicos, tambi¨¦n est¨¢n compa?¨ªas como Google o Rigetti.

Para alcanzarla, IBM no se centra solo en las propiedades cu¨¢nticas, sino que incluye tambi¨¦n procesadores convencionales en funci¨®n de su eficiencia frente a las tareas de computaci¨®n. El objetivo es desarrollar un tejido de circuitos para distribuir los problemas complejos entre varios procesadores.

De esta forma, para triplicar la capacidad del Eagle (el procesador que super¨® la barrera de los 100 c¨²bits), el nuevo Osprey se incluye en un nuevo IBM Quantum System Two, un sistema modular y flexible para incorporar m¨²ltiples chips (circuitos integrados) conectados por un sistema de control. Este estar¨¢ accesible en l¨ªnea en el primer trimestre de 2023 y es determinante para desarrollar una arquitectura modular con comunicaci¨®n cu¨¢ntica ¡ªque aumenta la capacidad computacional¡ª y con un sistema de nube h¨ªbrida que permite integrar flujos de trabajo cu¨¢nticos y cl¨¢sicos. ¡°Hemos finalizado c¨®mo ser¨¢ el sistema desde una perspectiva de dise?o y estamos trabajando para construirlo, ponerlo y demostrarlo el pr¨®ximo a?o¡±, afirma Jay Gambetta, el f¨ªsico que lidera el equipo del Centro de Investigaci¨®n IBM Thomas J Watson para el desarrollo de la computadora cu¨¢ntica.

Ser¨¢ la base del Crossbill, el primer procesador ¨²nico hecho de m¨²ltiples chips, y del Flamingo, que incluir¨¢ enlaces de comunicaci¨®n cu¨¢ntica. Ambos desarrollos est¨¢n previstos para 2024. Un a?o despu¨¦s, con la combinaci¨®n de las dos tecnolog¨ªas, se prev¨¦ presentar el Kookaburra, un sistema cu¨¢ntico de tres procesadores y 4.158 c¨²bits que pretende abrir la puerta a superar la barrera de los 100.000 c¨²bits.

El problema del ruido

Pero para aprovechar la ventaja computacional del c¨²bit hay que sortear un dif¨ªcil problema. Las superposiciones cu¨¢nticas de estados que permiten los trillones de combinaciones y, por lo tanto, la casi infinita capacidad de computaci¨®n son muy sensibles al medio ambiente. Cualquier m¨ªnima circunstancia del entorno (temperatura, ruido electromagn¨¦tico o vibraci¨®n) degrada las superposiciones y genera errores.

Jian-Wei Pan, el mayor experto en computaci¨®n de China, afirma que ¡°construir un ordenador cu¨¢ntico pr¨¢cticamente ¨²til y tolerante a los fallos es uno de los grandes desaf¨ªos para el ser humano¡±. ¡°El obst¨¢culo m¨¢s formidable es la presencia de ruido e imperfecciones. Necesitamos usar la correcci¨®n de errores cu¨¢nticos y operaciones tolerantes a fallos para superar el ruido y escalar el sistema¡±, asegura.

Una de las f¨®rmulas para paliar esta desventaja es crear entornos donde se minimicen las interacciones con el medio ambiente, como enfriar los sistemas a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 ?C). Pero tambi¨¦n se pueden abordar los errores una vez que se producen, aplicando sistemas, como el Qiskit Runtime Primitives que incorpora el Osprey presentado este mi¨¦rcoles. Este desarrollo es un entorno de sistemas cl¨¢sicos y cu¨¢nticos que aumenta la velocidad y calidad de la computaci¨®n. Adem¨¢s, se suma Dynamic Circuits, un modelo alternativo de construcci¨®n de circuitos para la correcci¨®n de errores cu¨¢nticos. IBM prev¨¦ incorporar nuevos sistemas de supresi¨®n y mitigaci¨®n de fallos con el fin de ayudar a los desarrolladores del programa fundamental del sistema operativo (kernel) a administrar el ruido y subsanar errores.

Frente a las alternativas materiales, Qiskit Runtime Primitives permite llevar a la programaci¨®n las soluciones frente al ruido, por lo que facilita, seg¨²n la compa?¨ªa, que ¡°los usuarios incorporen la computaci¨®n cu¨¢ntica en sus flujos de trabajo y se acelere el desarrollo de aplicaciones cu¨¢nticas¡±.

Oliver Dial, jefe de arquitectura de hardware cu¨¢ntico en IBM, cree que no est¨¢n muy lejos de conseguir minimizar el ruido: ¡°En los pr¨®ximos dos a?os, podremos hacer algo que nadie ha hecho antes. Es un desaf¨ªo. Si podemos proporcionar una estimaci¨®n libre de ruido observable, estaremos en el rango donde podemos comenzar a resolver problemas interesantes con nuestros clientes¡±.

De esta forma, seg¨²n IBM, la carrera cu¨¢ntica que se afianza no exigir¨¢ disponer de un ordenador de esta tecnolog¨ªa, sino que un desarrollador podr¨¢ incorporar a sus programas determinadas funcionalidades y operaciones de c¨¢lculo cu¨¢ntico que se ejecutar¨¢n en la nube y que se integrar¨¢n con fluidez en aplicaciones que aunar¨¢n la nueva tecnolog¨ªa y la existente.

Un computador de 4.000 c¨²bits ser¨¢ capaz de ejecutar c¨¢lculos que precisar¨ªan un ordenador tradicional de casi el tama?o de la Tierra

Arvind Krishna, director ejecutivo de IBM

Alejandro Gonz¨¢lez Tudela, investigador cient¨ªfico en el Instituto de F¨ªsica Fundamental del CSIC, cree que las posibilidades de la computaci¨®n cu¨¢ntica son extraordinarias y que muchas de ellas a¨²n est¨¢n por descubrir. Uno de los campos de aplicaci¨®n ser¨¢n, en su opini¨®n, ¡°las cuestiones de muchos cuerpos, con muchos elementos que interaccionan entre ellos y que son dif¨ªciles de resolver en ordenadores cl¨¢sicos¡±. Dos ejemplos ser¨ªan la simulaci¨®n de mol¨¦culas o el desarrollo de nuevos materiales, campos con una dimensi¨®n exponencial inalcanzable para los sistemas tradicionales.

La inteligencia artificial (IA) y, en especial, las redes neuronales, las que intentan emular al cerebro humano, tambi¨¦n se beneficiar¨¢n de esta tecnolog¨ªa para clasificar, analizar y extraer patrones y conocimiento de im¨¢genes, palabras o conceptos de cualquier tipo de lenguaje en cualquier ¨¢rea. En este sentido, IBM, cuenta con un sistema capaz de interpretar el lenguaje de la qu¨ªmica para predecir el resultado m¨¢s probable de una determinada reacci¨®n.

Esta convergencia entre bits, redes neuronales y c¨²bits es la base tecnol¨®gica de una nueva era de descubrimientos y de un futuro revolucionario de innovaciones tanto para la ciencia como para las empresas e instituciones.

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