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STEPHANIE ARNETT/MIT TR; GETTY

Computación

No solo cúbits: los desafíos de la computación cuántica en 2023

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Las empresas se alejan de la persecución de récords de cúbits para centrarse en conseguir un 'hardware' práctico, además de en otros objetivos de intercomunicación a largo plazo

  • por Michael Brooks | traducido por Ana Milutinovic
  • 17 Enero, 2023

Este reportaje es parte de la serie What's Next (¿Qué sigue?) de MIT Technology Review, donde se analizan las industrias, tendencias y tecnologías para saber qué esperar en este año. 

En 2023, el progreso en la computación cuántica se caracterizará no tanto por los grandes anuncios sobre el hardware como por la culminación del arduo trabajo que viene desarrollándose desde hace años para conseguir que los chips se comuniquen entre sí y solventar el problema del ruido. Todo esto tendrá lugar al mismo tiempo que el sector se vuelve más internacional. 

Durante años, el ciclo de noticias sobre la computación cuántica ha estado dominado por los titulares sobre los récords establecidos por los sistemas. Los investigadores de Google e IBM han estado discutiendo sobre quién logró qué y si valió la pena el esfuerzo. Pero el tiempo de debatir quién tiene el procesador más grande parece haber pasado: las empresas han bajado la cabeza, preparándose para la vida en el mundo real. De repente, todos se han empezado a comportar como adultos. 

Para enfatizar cuánto quieren los investigadores bajarse del tren del autobombo, se espera que IBM anuncie un procesador en 2023, lo que va a contracorriente de la tendencia de poner en juego cada vez más bits cuánticos, o cúbits. Los cúbits, las unidades de procesamiento de los ordenadores cuánticos se pueden construir a partir de distintas tecnologías, tales como circuitos superconductores, iones atrapados o fotones (partículas cuánticas de luz). 

Durante mucho tiempo, IBM ha perseguido los cúbits superconductores y, en estos años, la empresa ha progresado de manera constante para aumentar la cantidad que puede introducir en un chip. En 2021, por ejemplo, IBM presentó un chip con un récord de 127 cúbits. En noviembre, presentó su procesador Osprey de 433 cúbits, y la empresa tiene como objetivo lanzar el procesador Condor de 1.121 cúbits en 2023. 

Sin embargo, este año también se espera que IBM presente su procesador Heron, que solo tendrá 133 cúbits. Puede parecer un paso atrás, pero la compañía señala que los cúbits de Heron serán de la mejor calidad. Y lo más importante, cada chip podrá conectarse a otros procesadores Heron. Esto significará un cambio de los chips de computación cuántica individuales hacia los ordenadores cuánticos modulares, construidos de varios procesadores conectados entre sí, se espera que ayude a los ordenadores cuánticos a progresar. 

Heron es una punta de lanza de cambios más grandes en la industria de la computación cuántica. Gracias a algunos avances recientes, planes agresivos y altos niveles de financiación, es posible que veamos ordenadores cuánticos de propósito general antes de lo esperado hace solo unos años, según sugieren algunos expertos. "En general, las cosas están progresando, sin duda, a un ritmo rápido", afirma Michele Mosca, subdirectora del Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo (Canadá). 

A continuación, presentamos algunas áreas donde los expertos esperan ver progresos. 

Encadenando ordenadores cuánticos  

El proyecto Heron de IBM es solo un primer paso en el mundo de la computación cuántica modular. Los chips se conectarán con la electrónica convencional, así no podrán cuantificar la información mientras pasa de un procesador a otro. Pero la esperanza es que tales chips, unidos con conexiones cuánticas de fibra óptica o microondas, abran el camino hacia los ordenadores cuánticos distribuidos a gran escala con hasta un millón de cúbits conectados. Esa podría ser la cantidad necesaria para ejecutar algoritmos cuánticos útiles con corrección de errores. "Necesitamos tecnologías escalables tanto en tamaño como en coste, por lo que la modularidad es clave", destaca Jerry Chow, director de IBM Quantum Hardware System Development. 

Otras empresas están iniciando experimentos similares. "Conectar cosas, de repente, es un gran tema", resalta Peter Shadbolt, director científico de PsiQuantum, que usa fotones como sus cúbits. PsiQuantum está dando los toques finales a un chip modular basado en silicio. Shadbolt asegura que la última pieza requerida (un interruptor óptico muy rápido y de baja pérdida) se mostrará a finales de 2023. "Eso nos da un chip con funciones completas", añade el experto. Luego puede comenzar la construcción a escala de almacén: "Tomaremos todos los chips de silicio que fabricamos y los ensamblaremos en lo que será un sistema similar a un ordenador de alto rendimiento a escala de un edificio". 

El deseo de transportar cúbits entre los procesadores significa que la tecnología cuántica, hasta ahora un poco desatendida, pasará a primer plano, según explica  Jack Hidary, CEO de la empresa de tecnología cuántica SandboxAQ, que se escindió de Alphabet el año pasado. Hidary opina que las comunicaciones cuánticas, donde los cúbits coherentes se transfieren a distancias de cientos de kilómetros, serán una parte esencial de la computación cuántica en 2023. 

"El único camino para escalar la computación cuántica es crear módulos de miles de cúbits y unirlos para obtener una vinculación coherente. Eso podría suceder en la misma sala, pero también podría en todo el campus o en distintas ciudades. Conocemos el poder de la computación distribuida del mundo clásico pero, para la cuántica, hay que tener enlaces coherentes: ya sea una red de fibra óptica con repetidores cuánticos, o alguna fibra que vaya a una estación terrestre y una red satelital", explicó Hidary a MIT Technology Review.  

Muchos de estos componentes de comunicación se han probado en los últimos años. En 2017, por ejemplo, el satélite Micius de China demostró que se pueden lograr comunicaciones cuánticas coherentes entre nodos separados por 1.200 kilómetros. Y, en marzo de 2022, un grupo internacional de investigadores universitarios e industriales puso a prueba un repetidor cuántico que transmitió información cuántica de manera efectiva a través de 600 kilómetros de fibra óptica

Luchar contra el ruido 

Al mismo tiempo que la industria conecta los cúbits, también se está alejando de una idea que se puso de moda en los últimos cinco años: que los chips con unos cientos de cúbits podrían llevar a cabo una computación útil, aunque el ruido interrumpe sus operaciones

Esta idea, denominada cuántica de escala intermedia ruidosa (NISQ, por sus siglas en inglés) habría sido una forma de ver algunos beneficios a corto plazo de la computación cuántica, quizás años antes de alcanzar el objetivo de los ordenadores cuánticos a gran escala con cientos de miles de bits cuánticos para la corrección de errores. Pero el optimismo sobre NISQ parece que se está desvaneciendo. "La esperanza era que estos ordenadores pudieran usarse mucho antes de que se corrigieran los errores, pero el foco se está alejando de eso", señala Joe Fitzsimons, CEO de Horizon Quantum Computing, con sede en Singapur. 

Algunas empresas prefieren la forma clásica de corrección de errores, con unos cúbits para corregir errores en otros. En 2022, tanto Google Quantum AI como Quantinuum, la nueva compañía formada por Honeywell y Cambridge Quantum Computing, publicaron documentos demostrando que los bits cuánticos podían ensamblarse en conjuntos de corrección de errores que superan a los cúbits físicos subyacentes. 

Otros equipos tratan de encontrar una manera de que los ordenadores cuánticos toleren fallos sin tanto coste. Por ejemplo, IBM ha estado explorando la caracterización del ruido que induce errores en sus máquinas y luego la programación de una manera de sustraerlo, similar a lo que hacen los auriculares de cancelación de ruido. Está lejos de ser un sistema perfecto: el algoritmo funciona a partir de una predicción del ruido que pudiera sonar, no el que realmente aparece. Pero hace un trabajo decente, según Chow: "Podemos crear un código de corrección de errores con un coste de recursos mucho menor, que hace que la corrección de errores sea accesible a corto plazo". 

IonQ, con sede en Maryland (EE UU), que construye ordenadores cuánticos de iones atrapados, está haciendo algo similar. "Nosotros imponemos la mayoría de nuestros errores cuando hurgamos en los iones y ejecutamos los programas. Ese ruido es reconocible, y los diferentes tipos de mitigación nos han permitido incrementar nuestros números", afirma Chris Monroe, científico jefe de IonQ.  

Trabajar en el 'software' 

A pesar de todo el progreso del hardware, muchos investigadores creen que debe prestarse más atención a la programación. "Nuestra caja de herramientas es definitivamente limitada en comparación con lo que deberíamos tener en 10 años", indica Michal Stechly de la empresa de software cuántico Zapata Computing, con sede en Boston (EE UU). 

La forma de ejecutar el código en un ordenador cuántico accesible en la nube está basada en circuitos, lo que significa que los datos se someten a una serie específica y predefinida de operaciones antes de realizar una medición cuántica final, lo que da el resultado. Eso es un problema para los diseñadores de algoritmos, según Fitzsimons. Las rutinas de programación convencionales tienden a implicar la repetición de algunos pasos hasta que se alcanza el resultado deseado, y luego se pasa a otra subrutina. En la computación cuántica basada en circuitos, obtener un resultado ya finaliza la computación, es decir, no hay opción a dar la vuelta de nuevo. 

Horizon Quantum Computing es una de las empresas que ha estado construyendo herramientas de programación para permitir estas rutinas de computación flexibles. "Eso nos lleva a un régimen diferente en términos del tipo de cosas que se pueden ejecutar, y empezaremos a implementar el acceso temprano el próximo año", asegura Fitzsimons. 

Algorithmiq, con sede en Helsinki (Finlandia), también está innovando en el campo de la programación. "Necesitamos marcos no estandarizados para programar los dispositivos cuánticos actuales", indica Sabrina Maniscalco, la CEO. Aurora, la plataforma de descubrimiento de fármacos, lanzada por Algorithmiq, combina los resultados de la computación cuántica con los algoritmos convencionales. Esta computación híbrida es un área en crecimiento, y es reconocida como la forma en la que funcionará este campo a largo plazo. La compañía espera lograr una ventaja cuántica útil en 2023, una demostración de que un sistema cuántico puede superar a un ordenador convencional en cálculos relevantes del mundo real. 

Una rivalidad mundial 

Es probable que también se produzcan cambios en las políticas. Algunos representantes del Gobierno estadounidense, incluido Alan Estévez, subsecretario de comercio para la industria y la seguridad de EE UU, han insinuado que se avecinan restricciones comerciales en torno a las tecnologías cuánticas. 

Tony Uttley, director de operaciones de Quantinuum, afirma que mantiene un diálogo activo con el Gobierno de EE UU para asegurarse de que esto no afecte negativamente a lo que aún es una industria joven. "Compramos fuera de EE UU alrededor del 80% de los componentes o subsistemas de nuestro sistema. . Introducir un control sobre ellos no ayuda, y no queremos ponernos en desventaja al competir con otras empresas en otros países del mundo”, resalta Uttley. 

Hay muchos competidores. El año pasado, el buscador chino Baidu, abrió el acceso a un procesador de 10 cúbits superconductores con el que espera ayudar a los investigadores a incursionar en la aplicación de la computación cuántica a distintos campos, como el diseño de materiales y el desarrollo farmacéutico. La compañía afirma que ha completado el diseño de un chip cuántico superconductor de 36 cúbits. "Baidu continuará logrando avances en la integración de software y hardware cuánticos, y facilitará la industrialización de la computación cuántica", aseguró el portavoz de la empresa a MIT Technology Review. El gigante tecnológico Alibaba también tiene investigadores que trabajan en la computación cuántica con los cúbits superconductores. 

En Japón, Fujitsu colabora con el instituto de investigación Riken para ofrecer a las empresas acceso al primer ordenador cuántico propio del país en el año fiscal que comienza en abril de 2023. Esta máquina contará con 64 cúbits superconductores. "El foco inicial estará en las aplicaciones para el desarrollo de materiales, el descubrimiento de fármacos y las finanzas", explica Shintaro Sato, director del laboratorio cuántico de Fujitsu Research. 

Sin embargo, no todo el mundo sigue el ya transitado camino de los superconductores. En 2020, el Gobierno indio se comprometió a gastar 80.000 millones de rupias (1.042 millones de euros, cuando se hizo el anuncio) en tecnologías cuánticas. Una buena parte de ese dinero se destinará a las tecnologías fotónicas, las comunicaciones cuánticas basadas en satélites y la innovadora computación fotónica qudit

Los qudits amplían el alcance de la codificación de datos de los cúbits: ofrecen tres, cuatro o más dimensiones, a diferencia del tradicional binario 0 y 1, sin aumentar necesariamente la aparición de errores. "Este es el tipo de trabajo que nos permitirá crear un nicho, en vez de competir con lo que ya ha estado sucediendo durante varias décadas en otros lugares", señala Urbasi Sinha, quien dirige el laboratorio de computación e información cuántica en el Instituto de Investigación Raman en Bangalore, India. 

Aunque las cosas se están poniendo serias y competitivas a nivel internacional, la tecnología cuántica sigue siendo en gran medida colaborativa, por ahora. "Lo bueno de este campo es que la competencia es feroz, pero todos reconocemos que es necesaria. No tenemos una mentalidad de juego de suma cero: existen diferentes tecnologías en distintos niveles de madurez, y todos jugamos juntos en la actualidad. En algún momento, habrá algún tipo de consolidación, pero todavía no", concluye Monroe.  

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