¿Qué es la supercomputación cuántico-céntrica?

Un superordenador centrado en la cuántica es una conexión de próxima generación de un ordenador cuántico con un superordenador clásico que utiliza algoritmos de mitigación y corrección de errores para obtener resultados en tiempos de ejecución prácticos.

En la era de la computación cuántica, se prevé que la supercomputación centrada en la cuántica ayude a los investigadores a lograr grandes avances en los campos de las ciencias de los materiales, machine learning, IA generativa, la física de altas energías y más, potencialmente por delante de los sistemas totalmente cuánticos a gran escala.

Un superordenador centrado en la cuántica totalmente desarrollada utiliza un middleware avanzado para integrar circuitos cuánticos con recursos informáticos clásicos. Los superordenadores centrados en la cuántica basados en la arquitectura IBM Quantum System Two (los componentes básicos de la supercomputación centrada en la cuántica) combinan la tecnología cuántica con los superordenadores tradicionales para complementar y mejorar el rendimiento de ambos elementos. 

En 1994, el matemático del MIT Peter Shor descubrió un algoritmo que puede dividir grandes números en factores primos exponencialmente más rápido que los mejores algoritmos clásicos, utilizando un hipotético quantum computer. Dos años más tarde, Lov Grover descubrió un algoritmo quantum que puede buscar en una base de datos más rápido que un algoritmo de búsqueda clásico. Estos descubrimientos aceleraron enormemente el interés por la computación cuántica. 

Shor y Grover demostraron, al menos en teoría, que un ordenador cuántico útil puede procesar ciertas cargas de trabajo complejas más rápido que los métodos clásicos, cientos de miles de años más rápido. Ni siquiera los superordenadores más avanzados del mundo, como los que se utilizan en los centros de datos y en las universidades, son capaces de procesar grandes flujos de trabajo cuánticos con la suficiente rapidez. 

Ya no son teóricos, los procesadores cuánticos como IBM Quantum Heron han demostrado la viabilidad de la computación cuántica. Sin embargo, los ordenadores cuánticos actuales están limitados por obstáculos como el número de qubits con los que pueden procesar y los errores innatos del hardware quantum.

La supercomputación centrada en la cuántica combina las ventajas de la computación cuántica y la clásica, utilizando las propiedades únicas de los qubits para realizar cálculos que de otro modo serían inviables para los sistemas clásicos. Este enfoque pretende superar las limitaciones de la informática clásica de alto rendimiento introduciendo los ordenadores cuánticos en los flujos de trabajo existentes, mejorando así la eficacia y las capacidades de cálculo de ambos tipos de sistemas.

Las siguientes son algunas de las principales diferencias entre la HPC y la supercomputación centrada en la cuántica:

HPC tradicional:

• Basada en la arquitectura informática clásica
• Limitada por el procesamiento binario y la escalabilidad lineal

Supercomputación centrada en la cuántica:

• Incluye ordenadores cuánticos para utilizar los recursos cuánticos y clásicos en las cargas de trabajo paralelizadas
• Optimizado para orquestar el trabajo en los clústeres de cómputo de los ordenadores cuánticos y HPC en el mismo centro de datos o en la nube
• Ofrece aceleraciones potencialmente exponenciales y una potencia de procesamiento superior a la que pueden proporcionar la computación cuántica o la clásica para determinados problemas

A medida que la computación cuántica experimental continúa avanzando rápidamente, predecimos que la supercomputación centrada en la cuántica será un puente fundamental para lograr la ventaja cuántica, el hito por el que los investigadores miden si una máquina cuántica puede superar al hardware clásico que simula un sistema cuántico o a cualquier otro método clásico para resolver un problema práctico. Sin embargo, no se espera que la computación cuántica sustituya por completo a la computación clásica. En cambio, los superordenadores centrados en la cuántica combinan ordenadores cuánticos y ordenadores clásicos, y cada tipo de sistema trabaja en conjunto para ejecutar cálculos más allá de lo que es posible en cualquiera de los dos.

A nivel mundial, varias instalaciones de superordenadores ya han empezado a incorporar hardware de computación cuántica, como la alemana Júpiter, la japonesa Fugaku y la polaca PSNC. Como parte de la IBM Quantum Roadmap, IBM espera construir superordenadores centrados en la cuántica con miles de qubits lógicos para 2033.

A diferencia de los ordenadores tradicionales, los ordenadores cuánticos utilizan las cualidades fundamentales de la física cuántica para resolver potencialmente problemas complejos. Los cuatro principios clave de los ordenadores cuánticos son los siguientes:

• Superposición: la superposición es el estado en el que una partícula o sistema cuántico puede representar no solo una posibilidad, sino una combinación de múltiples posibilidades.
• Entrelazamiento: El entrelazamiento es el proceso en el que múltiples partículas cuánticas se correlacionan más fuertemente de lo que permite la probabilidad regular.
• Decoherencia: la decoherencia es el proceso por el cual las partículas y los sistemas cuánticos pueden decaer, colapsar o cambiar, convirtiéndose en estados únicos medibles por la física clásica.
• Interferencia: La interferencia es el fenómeno en el que los estados cuánticos entrelazados pueden interactuar y producir probabilidades mayores y menores.

Mientras que los ordenadores clásicos se basan en bits binarios (ceros y unos) para almacenar y procesar datos, los ordenadores cuánticos pueden codificar aún más datos a la vez utilizando bits cuánticos (qubits), en superposición. 

Un qubit puede comportarse como un bit tradicional y almacenar un valor de cero o uno, pero su poder proviene de su capacidad para almacenar superposiciones: una combinación ponderada de cero y uno al mismo tiempo. Cuando se combinan, un conjunto de qubits en superposición puede almacenar más información que el mismo número de bits. Sin embargo, cada qubit solo puede emitir un único bit de información al final del cálculo. Los algoritmos cuánticos funcionan almacenando y manipulando la información de un modo inaccesible para los ordenadores clásicos, lo que puede acelerar la resolución de determinados problemas.

El control de los qubits requiere un hardware delicado, sensible a las interferencias y que debe mantenerse a temperaturas extremadamente frías. Los investigadores cuánticos utilizan refrigeración criogénica para mantener los qubits a temperaturas más frías que el vacío del espacio. 

Actualmente, el hardware cuántico es caro, grande y propenso a errores. Aunque los investigadores trabajan a diario para abordar los retos que plantea la construcción de ordenadores cuánticos más grandes, no se espera que la computación cuántica sustituya por completo a la computación tradicional en un futuro próximo, ni siquiera en un futuro lejano. Esto se debe a que la computación cuántica es la más adecuada para ciertos problemas complejos.

En cuestión de minutos, un ordenador quantum puede resolver potencialmente un problema de simulación que a un superordenador tradicional le llevaría cientos de miles de años. Esta aceleración del rendimiento, conocida como ventaja cuántica, solo se ha demostrado teóricamente. Sin embargo, los ordenadores cuánticos de IBM ya han demostrado servicios cuánticos, la capacidad de resolver problemas a una escala superior a la simulación clásica por fuerza bruta. 

La computación cuántica se basa en los principios de la mecánica cuántica, que describe cómo las partículas subatómicas se comportan de forma diferente a la física a macronivel. Pero como la mecánica cuántica proporciona las leyes fundacionales de todo nuestro universo, a nivel subatómico, todo sistema es un sistema cuántico.

Por esta razón, podemos decir que, aunque los ordenadores convencionales también se construyen sobre sistemas cuánticos, no aprovechan plenamente las propiedades de la mecánica cuántica durante sus cálculos. Los ordenadores cuánticos aprovechan mejor la mecánica cuántica para realizar cálculos que ni siquiera los ordenadores de alto rendimiento son capaces de efectuar. 

Los modelos de computación clásicos utilizan cadenas de dígitos binarios (bits) para reducir toda la información a un código binario compuesto por ceros y unos. Mediante un conjunto de puertas lógicas sencillas, como AND, OR, NO y NAND, podemos procesar esa información para realizar cálculos avanzados. Sin embargo, cada puerta lógica solo puede actuar sobre uno o dos bits a la vez. Determinamos que el "estado" de un ordenador clásico se basa en los estados de todos sus bits. Los ordenadores clásicos utilizan transistores y semiconductores para almacenar y procesar información binaria. 

Los ordenadores cuánticos utilizan un tipo especial de hardware cuántico denominado unidad de procesamiento cuántico (QPU) para almacenar y procesar datos de forma diferente. Los ordenadores clásicos utilizan transistores para almacenar bits de información, pero los ordenadores cuánticos utilizan qubits normalmente hechos de partículas cuánticas (aquellas que se comportan como los bloques de construcción más pequeños conocidos del universo físico). A diferencia de los bits tradicionales, los qubits contienen más de dos estados de información. 

Mientras que un ordenador digital solo puede estar en un estado, los qubits de un ordenador cuántico pueden estar en muchos estados lógicos a la vez durante un cálculo. Este fenómeno se conoce como superposición: una tercera posición que representa el cero, el uno y todas las posiciones intermedias en función de una probabilidad. Al final del cálculo, cada qubit asumirá el valor de cero o uno con una probabilidad correspondiente a su contribución a la superposición.

Diferentes tipos de qubits son mejores para diferentes casos de uso y sistemas. IBM utiliza qubits superconductores favorecidos por la velocidad y el control preciso. Los qubits fabricados a partir de fotones (partículas individuales de luz) se utilizan habitualmente en la comunicación cuántica y en la criptografía cuántica. Otros tipos de qubits incluyen iones atrapados, átomos neutros y electrones individuales retenidos por pequeños semiconductores conocidos como puntos cuánticos.  

En el corazón de un superordenador centrado en la cuántica se encuentra la unidad de procesamiento cuántico (QPU). La QPU de IBM incluye el hardware que toma las entradas y salidas, así como un chip semiconductor multicapa grabado con circuitos superconductores. Son estos circuitos los que contienen los qubits que se utilizan para realizar los cálculos y las puertas que realizan las operaciones en ellos. Los circuitos se dividen en una capa con los qubits, una capa con resonadores para la lectura y varias capas de cableado para la entrada y la salida. La QPU también incluye las interconexiones, los amplificadores y los componentes de filtrado de la señal.

El tipo de qubit físico que utiliza IBM está hecho de un condensador superconductor conectado a componentes llamados uniones de Josephson que se comportan como inductores no lineales y sin pérdidas. Debido a la naturaleza superconductora del sistema, la corriente que fluye a través de las uniones de Josephson solo puede asumir valores específicos. Los cruces de Josephson también espacian esos valores específicos de modo que solo se puede acceder a dos de esos valores.

A continuación, el qubit se codifica en los dos valores más bajos de la corriente, que luego se convierten en cero y uno (o como una superposición de cero y uno). Los programadores cambian los estados de los qubits y los acoplan mediante instrucciones cuánticas, comúnmente conocidas como puertas. Se trata de una serie de formas de onda de microondas especialmente diseñadas. 

Para que los qubits funcionen a la temperatura requerida, algunos de los componentes de la QPU deben guardarse en una nevera de dilución, que los mantiene fríos con helio líquido. Otros componentes de la QPU requieren un hardware de computación clásico a temperatura ambiente. Luego, la QPU se conecta a la infraestructura de tiempo de ejecución, que también realiza la mitigación de errores y el procesamiento de resultados. Se trata de un ordenador cuántico.

La integración de los sistemas cuánticos y clásicos se logra a través de soluciones de middleware y nube híbrida que facilitan una interacción fluida entre ambos. Este enfoque híbrido ayuda a garantizar que las unidades de procesamiento cuántico puedan utilizarse eficazmente dentro de los ordenadores cuánticos conectados a los marcos existentes, maximizando su impacto sin necesidad de una revisión completa de las infraestructuras actuales.

A pesar de los avances recientes, controlar los qubits es un gran desafío. El ruido externo y la interferencia entre las señales de control destruyen las frágiles propiedades quantum de los qubits, y controlar estas fuentes de ruido ha sido clave para fomentar el desarrollo de útiles superordenadores centrados en la cuántica. 

Además de las mejoras en el hardware, los investigadores han demostrado la capacidad de lidiar con cierto ruido mediante el uso de algoritmos de mitigación de errores que analizan cómo el ruido del sistema cambia los resultados del programa. Los investigadores utilizan esta información para crear un modelo de ruido y, a continuación, emplean la informática clásica para obtener un resultado sin ruido basado en las predicciones del modelo. La mitigación de errores cuánticos forma parte del camino continuo que llevará al hardware cuántico actual a los ordenadores cuánticos tolerantes a fallos del futuro.

En el siguiente vídeo, los investigadores de IBM Quantum, Andrew Eddins y Youngseok Kim, explican el papel crucial que desempeñará la mitigación de errores para lograr una computación cuántica útil a corto plazo.

A diferencia de la mitigación de errores, en la que el posprocesamiento hace correcciones al ruido después de un cálculo, la corrección de errores cuántica puede eliminar el ruido en tiempo real durante el procesamiento, sin necesidad de crear primero un modelo de ruido específico. Aunque eficaz hasta cierto punto, la mitigación de errores tiene una escala limitada. A medida que los circuitos cuánticos aumentan en complejidad, la corrección de errores sigue siendo eficaz en los sistemas a gran escala.

La corrección de errores cuántica requiere numerosos recursos, como más qubits y más puertas en un circuito. La computación con más qubits requiere muchos más qubits para la corrección de errores. Un mejor hardware y mejores códigos de corrección de errores están haciendo que la corrección de errores sea cada vez más una realidad. A principios de este año, IBM publicó un nuevo tipo de memoria de corrección de errores que podría implementarse en los ordenadores cuánticos a corto plazo.

El tejido de circuitos es una técnica que descompone un problema de computación cuántica en múltiples problemas y luego los ejecuta en paralelo en diferentes procesadores cuánticos. Los ordenadores cuánticos y clásicos combinan con precisión los resultados de los circuitos individuales para llegar a un resultado concluyente. El tejido de circuitos permite a los investigadores cuánticos ejecutar circuitos cuánticos de forma mucho más eficiente al incorporar la computación clásica con el procesamiento quantum. 

Las concepciones comunes de los "ordenadores cuánticos" a menudo prevén una única QPU, que utiliza millones de qubits físicos, para ejecutar programas de forma independiente. "En cambio, imaginamos ordenadores que incorporan múltiples QPU, ejecutando circuitos cuánticos en paralelo con ordenadores clásicos distribuidos", escribe el vicepresidente de Quantum y académico de IBM, Jay Gambetta. Otra técnica se basa en la computación clásica para la mayor parte del cálculo, dejando solo la parte más cuántica para el procesador cuántico.

Alcanzar escalas lo suficientemente grandes como para resolver problemas con ordenadores cuánticos requiere corrección de errores y QPU más grandes o varias QPU conectadas. Además de Qiskit, el software de computación cuántica full stack de IBM para ejecutar cargas de trabajo cuánticas, IBM también está desarrollando el middleware para gestionar el tejido preciso de circuitos y el aprovisionamiento dinámico de recursos.

Los ordenadores cuánticos destacan en la resolución de ciertos problemas complejos con el potencial de acelerar el procesamiento de conjuntos de datos a gran escala. Desde el desarrollo de nuevos fármacos hasta la optimización de la cadena de suministro, pasando por la ciencia de los materiales y los retos del cambio climático, la computación cuántica podría ser la clave de los avances en varios sectores críticos.

• Farmacéutica: los ordenadores cuánticos capaces de simular el comportamiento molecular y las reacciones bioquímicas pueden acelerar enormemente la investigación y el desarrollo de nuevos fármacos y tratamientos médicos que salvan vidas.

• Química: por las mismas razones por las que los ordenadores cuánticos podrían influir en la investigación médica, también podrían aportar soluciones aún por descubrir para mitigar subproductos químicos peligrosos o destructivos. La computación cuántica podría conducir a catalizadores mejorados que permitan alternativas petroquímicas o mejores procesos para la descomposición del carbono necesaria para combatir las emisiones que amenazan el clima.

• Machine learning: a medida que aumenta el interés y la inversión en inteligencia artificial (IA) y campos relacionados como el machine learning, los investigadores están explorando si algunos algoritmos cuánticos podrían ser capaces de ver los conjuntos de datos de una nueva manera, proporcionando una aceleración para algunos problemas de machine learning.

Los ordenadores cuánticos, tal como existen hoy en día, son herramientas científicas útiles para ejecutar programas específicos más allá de la capacidad de fuerza bruta de las simulaciones clásicas, al menos cuando se simulan ciertos sistemas cuánticos. Sin embargo, en el futuro previsible, la computación cuántica funcionará en conjunto con la supercomputación clásica moderna y futura para ser útil. En respuesta, los investigadores cuánticos se preparan para un mundo en el que los superordenadores clásicos puedan utilizar circuitos cuánticos para ayudar a resolver problemas.

Los desafíos clave que enfrenta la supercomputación centrada en la cuántica incluyen la maduración del middleware que permite que los ordenadores clásicos y cuánticos se comuniquen, así como los desafíos generales que enfrentan los ordenadores cuánticos. Antes de lograr una ventaja cuántica, los desarrolladores han identificado los siguientes obstáculos clave que hay que superar.

Un ordenador cuántico a gran escala completamente desarrollado requiere millones de qubits físicos. Sin embargo, las limitaciones prácticas del hardware hacen que escalar chips individuales a estos niveles sea un desafío prohibitivo. Como solución, IBM está desarrollando interconexiones de última generación capaces de transferir información cuántica entre múltiples chips. Esta solución proporciona una escalabilidad modular para alcanzar los qubits necesarios para realizar la corrección de errores. IBM planea hacer una demostración de estas nuevas interconexiones, llamadas acopladores L y acopladores M, con chips de prueba de concepto llamados Flamingo y Crossbill, respectivamente. Estos acopladores son responsables de escalar los chips. IBM planea demostrar los acopladores c para fines de 2026 con un chip llamado Kookaburra. Estos son responsables de ayudar con la corrección de errores.

Aunque los procesadores cuánticos que se basan en qubits utilizados en la computación cuántica tienen el potencial de superar enormemente a los procesadores basados en bits, los procesadores cuánticos actuales solo pueden admitir unos pocos qubits potenciales. A medida que avance la investigación, IBM planea introducir un sistema cuántico con 200 cúbits lógicos capaces de ejecutar 100 millones de puertas cuánticas para 2029, con el objetivo de alcanzar los 2000 cúbits lógicos capaces de ejecutar 1000 millones de puertas cuánticas para 2033.  

Aunque potentes, los qubits también son bastante propensos a errores, por lo que requieren grandes sistemas de refrigeración capaces de crear temperaturas inferiores a las del espacio exterior. Los investigadores están desarrollando formas de escalar los qubits, la electrónica, la infraestructura y el software para reducir la huella, el coste y el consumo de energía.

La coherencia de qubits es breve, pero integral, para generar datos cuánticos precisos. La decoherencia, el proceso en el que los qubits no funcionan correctamente y producen resultados inexactos, es un obstáculo importante para cualquier sistema cuántico. La corrección de errores cuántica requiere que codifiquemos la información cuántica en más qubits de los que necesitaríamos. En 2024, IBM anunció un nuevo código de corrección de errores diez veces más eficiente que los métodos anteriores. Aunque la corrección de errores no es un problema resuelto, este nuevo código marca un camino claro hacia el funcionamiento de circuitos cuánticos con mil millones de puertas lógicas o más. 

La ventaja cuántica requiere dos componentes. El primero son circuitos cuánticos viables, y el segundo es un medio para demostrar que esos circuitos cuánticos son realmente la mejor manera de resolver un problema cuántico frente a cualquier otro método del estado de la técnica. El descubrimiento de algoritmos cuánticos es lo que llevará a las tecnologías cuánticas actuales de la utilidad cuántica a la ventaja cuántica. 

El meollo del descubrimiento de algoritmos quantum se basa en una pila de software estable y de alto rendimiento para escribir, optimizar y ejecutar programas quantum. Qiskit de IBM es, con diferencia, el software cuántico más utilizado del mundo. Está basado en Python y compuesto por SDK de código abierto y herramientas y servicios de soporte, útil para ejecuciones tanto en la flota de ordenadores cuánticos superconductores de IBM como en sistemas que utilizan tecnologías alternativas, como iones atrapados en campos magnéticos o recocido cuántico.