Prototipo de procesador cuántico de 50 qubits desarrollado por IBM

Construir computadores cuánticos universales de aplicabilidad en el mundo de la ciencia y de los negocios es uno de los propósitos que empresas tecnológicas multinacionales como IBM se han planteado lograr en los próximos años.

El objetivo es hacer descubrimientos de medicamentos y materiales, potenciar la inteligencia artificial, encontrar otras formas de modelar los datos financieros y reducir el riesgo para hacer nuevas inversiones, entre otros retos, utilizando la computación cuántica.

Pero, ¿estos nuevos sistemas marcarán el rumbo de la computación en los próximos años? En mayo de 2017 la empresa estadounidense anunció su nueva línea de computadores cuánticos IBM Q, con un procesador de 16 qubits para uso público y otro de 17 qubits con fines comerciales. Hasta ese momento tenía un procesador de 5 qubits con poca aplicación práctica.

Aunque recientemente, la empresa dio a conocer su prototipo de ordenador cuántico de 50 qubits, el cual fue probado con éxito y que será base de los futuros sistemas IBM Q.

La idea es ofrecer IBM Q como servicio a través de su red de cloud computing o informática en la nube. Para ello aprovechará el proyecto IBM Quantum Experience, una plataforma estrenada en 2016 sobre un procesador de 5 qubits, que ha permitido a la compañía probar su enfoque de lo que debe ser la informática cuántica.

Mauricio García, arquitecto tecnológico en IBM México explica cómo y en qué condiciones trabajan, así como los alcances y retos para conseguir comercializar una computadora cuántica universal.

¿Qué es una computadora cuántica?

Nuestra intuición sobre lo que podemos computar está algo distorsionada. Tendemos a pensar que las supercomputadoras y los clusters de servidores en nube pueden calcular cualquier cosa, y no, hay problemas que requieren tal cantidad de operaciones secuenciales que no es posible tratarlos eficientemente utilizando el paradigma de cómputo clásico. En esta categoría están todos los problemas cuyo espacio de solución crece exponencialmente con el tamaño del asunto planteado, como los modelos de optimización con restricciones o la simulación de moléculas a nivel subatómico.

Considerando que el espacio de solución de estos problemas es tan grande, hoy utilizamos métodos aproximados y miles de computadoras trabajando en paralelo para tener respuestas parciales. En el caso de la simulación de moléculas a nivel subatómico, la mejor supercomputadora en el mundo, puede simular sistemas de entre 40 y 50 electrones. Si una molécula como la cafeína está fuera de alcance, imagínense hablar de proteínas o del ADN.

El cómputo cuántico presenta una alternativa muy interesante. Pues ofrece una mejor forma de explorar estos espacios de solución, mediante el uso de los principios de superposición y entrelazamiento, solamente observables a nivel subatómico.

¿Cómo funciona la computadora cuántica de IBM y quién puede utilizarla?

Se tomó la decisión, cuando se empezó a desarrollar esta computadora cuántica, de democratizar el acceso, tratando de llegar al mayor número de personas posibles. Lo que se hizo fue no solamente construirla, sino hacerla disponible a través de una plataforma que se llama IBM Quantum Experience, para que cualquier persona que tiene interés en el desarrollo de algoritmos cuánticos pueda tener acceso a ella. Quien esté interesado puede entrar a este portal, ver cómo funciona la máquina, crear sus propios algoritmos y enviarlos a la cola de ejecución, o utilizar simuladores para entender cómo funciona. Lo que logramos con esto es que no sólo los científicos que están trabajando en el campo, sino también los que estén atraídos con este tipo de tecnología puedan empezar a experimentar con las máquinas que eventualmente serán comerciales.

¿En qué condiciones opera la computadora cuántica de IBM?

Está basada en superconductores, elementos que tienen muy poca resistencia a las corrientes eléctricas, y por su naturaleza solamente funcionan  temperaturas cercanas al cero absoluto. La máquina está en un laboratorio de IBM, dentro de un refrigerador que la mantiene a menos 273 grados centígrados, para intentar que no tenga ninguna perturbación, y está conectada precisamente a este portal para poder accesar desde fuera.

Esto es lo impresionate de esta tecnología, no importa que esté en un laboratorio resguardada, en este momento es accesible para el público.

¿IBM se plantea crear computadoras cuánticas de propósito general?

Es la idea. IBM tiene una larga historia de investigación en ciencia básica, tiene 12 laboratorios alrededor del mundo. Anualmente se invierten 6 mil millones de dólares en este programa de investigación y desarrollo, pero al final siempre se busca poder lograr tecnologías comercializables. Hasta ahora, el cómputo cuántico había sido un esfuerzo más académico, pero lo que se busca es poder construir máquinas que en muy poco tiempo sean comercializables, y que puedan utilizarse para resolver problemas reales.

El hecho de crear una computadora cuántica no es simplemente para tenerla como una curiosidad, sabemos que hay problemas que hoy no pueden ser tratables por las máquinas actuales, ya sea por la complejidad del problema o por el tamaño de espacio de soluciones.

En este sentido, lo que buscamos es empezar a resolver los problemas que tengan un impacto en la sociedad no solamente hacer lo mismo que hacemos hoy, pero más rápido.

¿Cuáles son los principales retos a los que se enfrenta IBM para tener computadoras cuánticas con propósitos generales?

Hay dos campos donde se está poniendo principal énfasis para desarrollar este modelo de cómputo como algo que podemos utilizar todos los días. El primero es el hardware, cuando hablamos de utilizar partículas más pequeñas que los átomos para hacer cómputo, sabemos que será muy susceptible a cualquier variabilidad, a cualquier ruido. El principal énfasis en el desarrollo de esta tecnología es lograr que estas máquinas no sean tan susceptibles a errores, que realmente tengan un tiempo de coherencia adecuado y puedan ser controladas. El segundo es software y algoritmos que van a ser utilizados en este tipo de computadoras.

Queremos aprovechar las capacidades de cómputo paralelo que nos va a ofrecer esta tecnología. Actualmente hay muy pocas personas que se dedican al desarrollo de algoritmos cuánticos y en la medida que podamos lograr tener un ecosistema de personas trabajando en esta tecnología, realmente empezaremos a producir algoritmos interesantes que nos lleven a innovar.

En este sentido es muy importante el portal, porque permite entrenar personas que van a poner sus conocimientos en estas máquinas cuando sean comerciales.

El portal nos da acceso a dos procesadores experimentales en los cuales se pueden ejecutar cualquier cosa que podamos imaginar, el límite es la imaginación de los desarrolladores, podemos hacer suma de números u optimización de modelos estocásticos, en ese sentido es como cualquier otra computadora, la podemos utilizar para abrir una hoja de cálculo, jugar o hacer investigación científica.

La computadora, al ser universal, permite implementar lo que nosotros tengamos en mente. No nos quedamos simplemente con un tutorial, sino se está abriendo al mundo científico y de la industria para que empiecen a pensar qué tipo de problemas se podrían resolver mejor con estas computadoras.

¿Cuántos qubits se necesitan para resolver un problema real?

Por la naturaleza del espacio de soluciones que maneja una computadora cuántica cada qubit que se agrega implica que se tiene el doble capacidad de representación. Prácticamente se tiene 2 a la N, donde N es la cantidad de qubits. Por ejemplo, con una máquina con 16 qubits el espacio de representación son 65 mil estados en los que potencialmente puede estar superpuesto ese sistema en un momento. Esto lleva a que con una máquina de 50 qubits tenemos un espacio de representación tan grande que ninguna computadora actual sería capaz de manejar eficientemente.

No hay que dejarnos llevar por el número de qubits, esto sería una visión muy simplista de una computadora cuántica. Hay varios factores que influyen en el poder de una máquina de este tipo. Uno es el número de qubits, otro es la calidad de estos, es decir, la cantidad de errores de lectura que pueden sufrir, otra más es el conjunto de compuertas para manipularlos, y finalmente la interconexión entre ellos para que efectivamente podamos explotar su capacidad.

Sistema de enfriamiento que mantiene al ordenador a bajas temperaturas.

Nos sirve más una máquina de 16 qubits que sabemos que tenga muy pocos errores de lectura, y que están interconectados entre ellos, que una máquina de mil qubits en la que no podamos confiar en los resultados de cada uno de esos qubits, y que tenga muy pocas conexiones entre ellos. A esta medida de poder de cómputo cuántica IBM lo llama Quantum Volume que nos sirven para determinar el poder real de una computadora de este tipo.

D-wave asegura que para finales de 2018 contará con 2 mil qubits? ¿Qué opinión tiene?

Precisamente para poder hacer comparaciones objetivas entre máquinas es que IBM diseñó la métrica Quantum Volume, para medir la capacidad de máquinas cuánticas universales. En este caso D-Wave no es una máquina cuántica universal, es una máquina de propósito específico para cómputo adiabático, por lo que no son tecnologías comparables. El propósito de la empresa es crear computadoras cuánticas universales que son las que nos van a servir para moderar cualquier tipo de problema real.

Otras empresas también están trabajando en este tipo de computadoras de propósito general, la principal ventaja es que el chip que tenemos en IBM se encuentra funcionando, está ampliamente documentado con rigor científico y está expuesto a que lo use todo cualquier persona, lo cual no tiene precedente en la industria.

Chip cuántico de 16 qubits.

¿Cuál es su opinión frente a la supremacía cuántica y cómo es que IBM va ha probarla?

La medidas de volumen cuántico que se ha diseñado es precisamente para medir si realmente tenemos la capacidad de utilizar una computadora cuántica para resolver problemas reales, en ese sentido el tema de la supremacía cuántica es un campo abierto, no es algo que hoy con las computadoras que tenemos actualmente podamos demostrar. Este no es un tema de un solo modelo que pruebe ser el correcto y todos los demás sean erróneos, sino más bien va a ser una carrera en ver quien desarrolla realmente las aplicaciones que beneficien a la sociedad. En ese sentido IBM tiene la gran ventaja del enorme músculo que representa nuestra área de investigación y en conjunto con el ecosistema, la capacidad que tenemos de diseñar algoritmos para estas computadoras, la experiencia que tenemos en cómputo cognitivo y la aplicación que podemos tener ahora con estas nuevas tecnologías para desarrollar mejores algoritmos y mejores modelos que nos lleven a resolver problemas que sabemos que hoy la sociedad está demandando.

No se espera que las computadoras cuánticas reemplacen a las actuales en todas las aplicaciones, sino en temas específicos como la optimización de modelos complejos o la simulación de sistemas físicos a nivel subatómico, por eso, en IBM más que de supremacía hablamos de una “ventaja cuántica” que debe ser demostrada en casos de uso particulares.

¿En cuánto tiempo IBM tiene planeado contar con computadoras cuánticas de propósito general?

La iniciativa de IBM Q, que se creó para el desarrollo de estas máquinas, tiene como primer resultado sus dos chip experimentales de 16 y 17 qubits, en los cuales se está trabajando arduamente para lograr tener la menor cantidad de errores de lectura posible; se podría escalar a mayor cantidad de qubits pero no se ha querido dar ese paso hasta estar seguros que tienen la calidad en cuanto a la corrección de errores. Se espera que en menos de cinco años no sólo sean comercialmente viables, sino comunes.

¿Cuál es el siguiente paso del proyecto?

Hay dos aspectos, la importancia de tener esa computadora accesible es parte de un plan claro y público pero, sobre todo, necesitamos crear un ecosistema de desarrolladores y de investigadores en algoritmos cuánticos que estén trabajando en diseñar aplicaciones para esta tecnología. Continuamos con el desarrollo del hardware para tener lo más pronto posibles máquinas comercialmente disponibles, y necesitamos que en el momento que lleguemos a tener estas computadoras en el mercado ya existan personas en el ecosistema con la capacidad de sacar provecho de este modelo de cómputo.