La Computación Cuántica está aquí. ¿Estamos listos?

A medida que nos acercamos al hardware útil, los elementos humanos de la informática se vuelven críticos.

Tenemos la fortuna de estar en una habitación, con lo que consideramos el futuro para la informática. La computadora en sí misma es completamente inamovible, pareciendo un tanque de metal suspendido del techo. Lo que hace una impresión es el ruido, un ping metálico regular que domina la habitación.

Es el sonido de un sistema de refrigeración diseñado para bajar la temperatura del hardware al borde del cero absoluto. Y el hardware que se está enfriando no es un chip estándar; es la visión de IBM sobre la computación cuántica.

En 2016, IBM hizo mucho ruido cuando invitó al público a probar una iteración temprana de su computadora cuántica, alojando solo cinco "Qubits" (bits Cuánticos), muy pocos "Qubits" para hacer cálculos considerados serios, pero más que suficientes para que la gente obtuviera algo de real. Una experiencia mundial con programación en la nueva tecnología.

En medio de un progreso rápido, IBM instaló más tanques en su sala de informática cuántica y agregó nuevos procesadores cuando estaban listos. A medida que la compañía aumentó el número de "Qubits" a 20, anunció de manera optimista que el hardware de 50 "Qubits" estaba en camino.

Durante nuestra reciente visita al Centro de Investigación Thomas Watson de IBM (sí Watson), los investigadores de la compañía fueron mucho más circunspectos, teniendo claro que no hacían promesas y que el hardware de 50 "Qubits" es solo un peldaño hacia el futuro de la Informática Cuántica (Quantum Computing). Pero argumentaron que IBM estaba bien posicionada para ser parte de ese futuro, en parte debido al ecosistema que la compañía está construyendo en torno a estos primeros esfuerzos.

Enredando los bloques de construcción

Para sus "Qubits", IBM usa cables superconductores conectados a un resonador, todos construidos sobre una oblea de silicio. El cable y la oblea permiten a la empresa aprovechar su experiencia en la construcción de circuitos, pero en este caso, el cable es una mezcla de niobio y aluminio, lo que le permite superconducir a temperaturas extremadamente bajas.

Jerry Chow, que nos mostró la sala de pruebas de hardware, dice que la compañía aún está experimentando con los detalles de cómo mejorar sus "Qubits", probando diferentes formulaciones y geometrías sea individualmente o en pares.

El resonador es sensible a las frecuencias de microondas, lo que permite configurar o leer cada "Qubit" individual mediante un pulso de microondas. Cada chip contiene elementos ópticos que toman la entrada de microondas externa y la dirigen a los "Qubits" individuales. Las microondas no tienen nada de particular, por lo que la entrada se crea con una óptica estándar.

El único desafío es obtener la entrada al chip, en el fondo de su tanque refrigerado con helio líquido. El hardware para hacerlo no solo tiene que resistir las temperaturas extremadamente frías, sino que también sobrevivir al calentamiento a temperatura ambiente. Aunque, una vez que se haya enfriado, el hardware puede funcionar indefinidamente sin reemplazo.

La Computación Cuántica se basa en arreglos e interconexión entre estos "Qubits". Chow mencionó que para "enredar"" dos de estos "Qubits", puedes confiar en el hecho de que tienen frecuencias de resonancia ligeramente diferentes. Si es dirigido a cada miembro de un par de "Qubits" utilizando la frecuencia de resonancia de su compañero, entonces es posible "enredarlos". (Entangle them).

NOTA: La palabra "Entangle" y "Entanglement" la traduciremos del inglés como Enredo, Enredar, Enredado, pues el "Entanglement" es una de las propiedades que se aprovechan de la Mecánica Cuántica y de los bits Cuánticos o "Qbits". El entrelazamiento es un fenómeno cuántico, sin equivalente en la Física clásica, en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir mediante un estado único, que involucra a todos los objetos del sistema aún cuando los objetos estén separados espacialmente.

Las colecciones de pares pueden "enredarse" en sistemas enmarañados de orden superior. Los "Qubits" permanecen coherentes durante 100 microsegundos a la vez, pero el "enredo" de un par de "Qubits" se puede hacer en aproximadamente 10 nanosegundos.

Chow dijo que "enredar" un chip actualmente toma unos pocos microsegundos, lo que permite el tiempo suficiente para preparar todo el sistema y realizar cálculos.

El problema es que los "Qubits" son extremadamente sensibles al "ruido" ambiental. Esto puede ser "ruido" desde fuera del dispositivo (aunque el tanque de metal ayuda a proteger el chip de una gran cantidad de eso).

Pero también puede venir desde adentro: el sistema de enfriamiento, el cableado de microondas y los componentes del chip en sí pueden interactuar con los "Qubits". Y cualquier tipo de interacción es desastroso para los cálculos.

Eso significa cambiar cualquier cosa sobre la arquitectura del chip, incluso si se agrega un solo "Qubit", tiene el potencial de cambiar la frecuencia y el tipo de errores cuando el chip está realizando cálculos.

IBM realiza un amplio modelado para tratar de limitar este problema antes de que se libere un chip pero hasta cierto punto, es un proceso empírico e iterativo: use un chip y vea qué sucede. "Construir más qubits nos ayudará a identificar las fuentes de ruido y diafonía", dijo Chow.

Eso fue repetido por Sarah Sheldon, una de los científicos que trabajan en los sistemas de microondas que controlan y leen los "Qubits". "Tenemos buenas herramientas para caracterizar componentes individuales, pero no tenemos medios eficientes para caracterizar dispositivos completos", dijo Sheldon.

"A medida que un sistema crece, enfrentamos situaciones en las que el control de un qubit puede causar errores en otros lugares". Más tarde, agregó: "Nos estamos acercando al límite en el que no se puede simular estos dispositivos de forma clásica, ¿cómo se puede saber si está funcionando correctamente?" Excelente pregunta.

Supremacía o volumen?

La idea detrás de una computadora cuántica es que realizará algunos tipos específicos de cálculos radicalmente más rápido que las computadoras normales. Con una cantidad suficiente de "Qubits", una computadora cuántica podría resolver problemas que tomarían una computadora tradicional por más tiempo de lo que el universo ha existido.

El punto donde una computadora cuántica tiene la capacidad de hacer esto se ha denominado "Supremacía Cuántica". Y en el anuncio de Google de sus esfuerzos de computación cuántica esta semana, hizo referencia explícita al concepto.

Por supuesto, Google formuló su concepto de supremacía cuántica en términos de una tasa de error tolerable (una que no toleraríamos en una computadora tradicional). IBM por el contrario, está desarrollando "Qubits" de corrección de errores.

Desafortunadamente estos requieren varios "Qubits" adicionales para funcionar. Bob Sutor, el Vicepresidente de IBM a cargo de este esfuerzo, sugirió que una Computadora Cuántica con algunos cientos de "Qubits" de corrección de errores, terminaría requiriendo miles de "Qubits" para funcionar.

Recuerde: actualmente todavía están trabajando en 50 "Qubits" sin corrección de errores. No vamos a llegar a la supremacía cuántica en un corto plazo.

En cambio, IBM sugiere que comencemos a pensar en términos de "Volumen Cuántico". Una medida que combina el número de "Qubits" utilizados para los cálculos, junto con la tasa de error de los cálculos que se ejecutan en la máquina.

El Volumen Cuántico permitiría una comparación significativa entre las máquinas de IBM y la descrita por Google. Lo que no nos dirá es cuán útil es cualquiera de las máquinas.

Hasta cierto punto, la respuesta es: "Depende". En algunos casos lidiar con errores es trivial. El factorizar un número grande en números primos, por ejemplo, produce un resultado que se puede verificar casi instantáneamente en una computadora clásica. En otros casos, los errores harían que el resultado de un cálculo no sea confiable, sin una forma fácil de identificar problemas.

Las computadoras actuales entonces, nos dejan en un lugar algo extraño. "Podemos construir algo que no podemos predecir su comportamiento de forma clásica, pero no son totalmente tolerantes a fallas", dijo Jay Gambetta, gerente de Theory of Quantum Computing and Information Group de IBM. "No sabemos qué se puede calcular con estos".

Señaló que muchos algoritmos de computación clásicos se desarrollaron primero y luego se demostró que eran eficientes. Por el contrario, es difícil hacer cualquier tipo de prueba para la mayoría de los algoritmos cuánticos.

Es posible simplemente ir con las estadísticas: ejecutar el algoritmo varias veces (lo que puede anular la velocidad cuántica total o parcialmente) obteniendo entonces la respuesta de la mayoría. Pero la respuesta de IBM a esto ha sido en parte, invitar al público a probar sus computadoras. Si son útiles para algo en su estado actual, entonces existe la posibilidad de que alguien lo descubra.

SDK para control de calidad

¿Cómo involucra al público en una máquina que requiere la infraestructura para producir helio líquido ultra frío y no puede ejecutar ningún software existente? Parte de la respuesta estaba desactivada en un lado de la sala de informática, en la forma de un servidor basado en tecnología IBM Power más tradicional.

El servidor acepta trabajos enviados por personas que se han registrado para probar el hardware cuántico, un grupo que abarca desde grandes empresas financieras hasta estudiantes que toman cursos de informática.

Pero IBM confía en la otra parte de la respuesta: un SDK de alto nivel que llama QISKit. Como lo describe Sarah Sheldon, diseñadora de sistemas de control, los pulsos de microondas del sistema dependen de una colección de generadores de forma de onda arbitraria, mezcladores y amplificadores.

Pero QISKit abstrae todos esos detalles para los usuarios del sistema. Les permite establecer el estado inicial de los qubits individuales y sus conexiones, entonces el software -una especie de compilador cuántico- lo traduce en la colección de pulsos de luz necesarios para que las cosas sucedan. "Nunca verás pulsos de microondas", prometió Jay Gambetta.

El proceso de diseño se hace en lenguaje Python, lo que permite a las personas aprovechar sus habilidades existentes.

Hacer que las cosas sean accesibles contribuye en gran medida a alentar a los usuarios, pero su éxito ha dejado a IBM con los desafío propios de la Gestión Comunitaria. Gambetta insinuó fuertemente que QISKit y el compilador subyacente fueron liberados ​​con un enfoque en tener algo funcional.

Explicó también cómo el equipo necesita hacer las cosas más modulares para que el sistema pueda incorporar las contribuciones de sus usuarios; según él, -"...el equipo tiene más contribuciones de código de las que realmente puede procesar."-

Gambetta también mencionó que le gustaría comenzar a ver los equivalentes de las bibliotecas de códigos, señalando que las implementaciones rápidas de Transformadas de Fourier han demostrado ser útiles para resolver una gran variedad de problemas.

Si bien IBM puede estar alentando este tipo de esfuerzos, Gambetta también esperaba que surgieran de forma natural. Desde su inicio, la Computación Cuántica ha estado en gran parte en el dominio de la física; los científicos informáticos tenían pocas razones para involucrarse, ya que ninguno de los equipos era lo suficientemente bueno como para permitirles hacer cálculos.

Eso ahora está empezando a cambiar y la participación de científicos en computación, podría ser crítica para el desarrollo del campo, porque como señala Gambetta, "piensan en los problemas de maneras diferentes a las de los físicos".

También es optimista sobre el uso del hardware de IBM en los cursos de informática clásica. Una vez que la computación cuántica se convierte en una parte normal de la capacitación de las personas, será más fácil para ellos verla como lo que es: una herramienta que es útil para un conjunto específico de problemas.

En ese punto, una computadora cuántica será similar a una Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU por sus siglas en inglés)  o cualquier otro hardware especializado, en el sentido de que la gente solo tendrá que decidir si la aceleración que proporciona valdrá la pena en el esfuerzo de escribir el código.

La impresión general de nuestra visita. es que la informática cuántica ha alcanzado un punto de transición. Si bien parte de la intención de la visita fue claramente ver el hardware, el hardware en sí puede haberse convertido en la parte menos emocionante.

Mientras se avanza y se están agregando "Qubits", el proceso es principalmente una rutina lenta de refinamiento y pruebas empíricas. El hardware escondido detrás de tanques fuertemente aislados llenos de helio líquido, no es lo más emocionante a la vista.

En cambio el desafío se ha desplazado a descubrir cómo aprovechar al máximo el hardware que existe, y cómo usarlo para garantizar que estemos preparados para las crecientes capacidades de dicho hardware. En este punto la experiencia de construcción de elementos humanos y la gestión de las comunidades, se está volviendo cada vez más importante.