IBM ha desvelado su plan para construir el primer ordenador cuántico a gran escala y tolerante a fallos del mundo, sentando las bases para una computación cuántica práctica y escalable.
IBM Quantum Starling, que estará listo en 2029, se construirá en un nuevo Centro de Datos Cuántico de IBM en Poughkeepsie, Nueva York, y se espera que pueda ejecutar 20.000 veces más operaciones que los ordenadores cuánticos actuales. Representar el estado de un IBM Starling requeriría la memoria de más de un quindecillón (10^48) de los superordenadores más potentes del mundo. Con Starling, los usuarios podrán explorar plenamente la complejidad de sus estados cuánticos, los cuales están más allá de las propiedades limitadas a las que se pueden acceder con los ordenadores cuánticos actuales.
IBM, que ya opera una gran flota global de ordenadores cuánticos, ha publicado ahora una nueva Hoja de Ruta de Desarrollo Cuántico, que traza un plan viable y definitivo para construir un ordenador cuántico práctico y tolerante a fallos.
“IBM está trazando la próxima frontera de la computación cuántica”, señalaba Arvind Krishna, presidente y CEO de IBM. “Con nuestra experiencia en matemáticas, física e ingeniería estamos allanando el camino hacia un ordenador cuántico a gran escala y tolerante a fallos, capaz de resolver desafíos del mundo real y desbloquear enormes posibilidades para las empresas”.
Un ordenador cuántico a gran escala y tolerante a fallos, con cientos o miles de qubits lógicos, podría ejecutar cientos de millones o incluso miles de millones de operaciones, lo que aceleraría el ahorro de tiempo y costes en campos como el desarrollo de fármacos, el descubrimiento de materiales, la química y la optimización.
Starling podrá acceder a la potencia de cálculo necesaria para estos problemas mediante la ejecución de 100 millones de operaciones cuánticas utilizando 200 qubits lógicos. Será la base para IBM Blue Jay, que podrá ejecutar 1.000 millones de operaciones cuánticas con más de 2.000 qubits lógicos.
Un qubit lógico es una unidad de un ordenador cuántico con corrección de errores, encargada de almacenar una cantidad de información cuántica equivalente a la de un qubit. Puede estar formado por múltiples qubits físicos que trabajan conjuntamente para almacenar esa información y monitorizarse mutuamente para detectar errores.
Al igual que los ordenadores clásicos, los ordenadores cuánticos deben corregir errores para ejecutar cargas de trabajo grandes sin fallos. Para lograrlo, se utilizan agrupaciones de qubits físicos para crear un menor número de qubits lógicos con tasas de error inferiores a las de los qubits físicos individuales. La tasa de error de los qubits lógicos disminuye exponencialmente con el tamaño del grupo, lo que permite ejecutar un mayor número de operaciones.
Crear un número creciente de qubits lógicos capaces de ejecutar circuitos cuánticos, con la menor cantidad posible de qubits físicos, es fundamental para una computación cuántica escalable. Hasta ahora, no se había publicado un camino claro hacia la construcción de un sistema tolerante a fallos sin requerimientos técnicos poco realistas.
El camino hacia la tolerancia a fallos a gran escala
El éxito de una arquitectura tolerante a fallos eficiente depende de la elección del código de corrección de errores y de cómo se diseña y construye el sistema para permitir que este código escale.
Códigos de corrección de errores alternativos o considerados estándar hasta ahora presentan desafíos de ingeniería fundamentales. Para escalar, requerirían un número inviable de qubits físicos para generar suficientes qubits lógicos capaces de realizar operaciones complejas, lo que implicaría cantidades imprácticas de infraestructura y electrónica de control. Esto hace que sea improbable su aplicación más allá de experimentos o dispositivos de pequeña escala.
Un ordenador cuántico a gran escala y tolerante a fallos requiere una arquitectura que sea:
- Tolerante a fallos, capaz de suprimir suficientes errores para que los algoritmos útiles puedan ejecutarse correctamente.
- Capaz de preparar y medir qubits lógicos durante los cálculos.
- Capaz de aplicar instrucciones universales a esos qubits lógicos.
- Capaz de decodificar las mediciones de los qubits lógicos en tiempo real y modificar instrucciones posteriores.
- Modular, para escalar hasta cientos o miles de qubits lógicos y ejecutar algoritmos más complejos.
- Eficiente, para ejecutar algoritmos significativos con recursos físicos realistas como energía e infraestructura.
Hoy, IBM presenta dos nuevos artículos técnicos que detallan cómo resolverá los criterios restantes para construir una arquitectura tolerante a fallos a gran escala
El primer artículo revela cómo un sistema de este tipo podrá procesar instrucciones y ejecutar operaciones eficazmente con códigos qLDPC. Este trabajo se basa en un enfoque pionero de corrección de errores, publicado en la portada de la revista Nature, que introduce los códigos cuánticos de verificación de baja densidad (qLDPC). Este código reduce drásticamente el número de qubits físicos necesarios para la corrección de errores y disminuye el sobrecoste requerido aproximadamente en un 90% en comparación con otros códigos líderes. Además, establece los recursos necesarios para ejecutar programas cuánticos a gran escala de forma fiable, demostrando la eficiencia de esta arquitectura frente a otras.
El segundo artículo describe cómo decodificar eficientemente la información de los qubits físicos y traza el camino para identificar y corregir errores en tiempo real con recursos informáticos convencionales.
De la hoja de ruta a la realidad
La nueva Hoja de Ruta Cuántica de IBM establece los principales hitos tecnológicos necesarios para demostrar y ejecutar los criterios de tolerancia a fallos. Cada nuevo procesador de la hoja de ruta aborda desafíos específicos para construir sistemas cuánticos que sean modulares, escalables y con corrección de errores:
- IBM Quantum Loon, previsto para 2025, está diseñado para probar componentes de arquitectura del código qLDPC, incluyendo los “c-acopladores” que conectan qubits a mayor distancia dentro del mismo chip.
- IBM Quantum Kookaburra, previsto para 2026, será el primer procesador modular de IBM diseñado para almacenar y procesar información codificada. Combinará memoria cuántica con operaciones lógicas, el bloque de construcción básico para escalar sistemas tolerantes a fallos más allá de un solo chip.
- IBM Quantum Cockatoo, previsto para 2027, entrelazará dos módulos Kookaburra utilizando “L-acopladores”. Esta arquitectura conectará chips cuánticos como nodos de un sistema mayor, evitando la necesidad de construir chips de tamaño impráctico.
Estos avances están diseñados para culminar en Starling en 2029.
