Por Nadia Carlsten, Jefe de Producto del Centro de Computación Cuántica de AWS.
¿Qué pasaría si, aprovechando las propiedades de la mecánica cuántica, pudiéramos modelar y simular el comportamiento de la materia en su nivel más fundamental, hasta la interacción de las moléculas? Si una máquina lo pudiera hacer, transformaría y cambiaría lo que sabemos de la ciencia y el modo en que exploramos la naturaleza en busca de respuestas.
Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de ser esta máquina: la comunidad científica sabe desde hace varios años que ciertas tareas computacionales pueden resolverse de forma más eficiente cuando se utilizan qubits (bits cuánticos) para realizar los cálculos, y que los ordenadores cuánticos prometen resolver algunos problemas que actualmente están fuera del alcance de los ordenadores clásicos. Pero aún quedan muchas interrogantes: ¿Cómo debemos construir una máquina de este tipo para que pueda manejar problemas grandes, problemas útiles de importancia práctica? ¿Cómo podemos ampliarla a miles y millones de qubits manteniendo un control preciso sobre los frágiles estados cuánticos y protegiéndolos de su entorno? ¿Y para qué tipo de problemas de los clientes deberíamos diseñarlo primero? Estas son algunas de las grandes preguntas que nos motivan en el Centro de Computación Cuántica de AWS.
El hogar de AWS Quantum Technologies
Hoy nos complacemos de anunciar la apertura de la nueva sede del Centro de Computación Cuántica de AWS, una instalación de vanguardia en Pasadena, California, donde nos estamos embarcando en la construcción de un ordenador cuántico tolerante a fallos. Este nuevo edificio está dedicado a nuestros esfuerzos de computación cuántica, e incluye espacio de oficinas para albergar a nuestros equipos de investigación cuántica, y laboratorios que comprenden el equipo científico y las herramientas especializadas para diseñar y ejecutar dispositivos cuánticos. Aquí, nuestro equipo de ingenieros de hardware, teóricos cuánticos y desarrolladores de software trabajan mano a mano para hacer frente a los diversos retos que plantea la construcción de mejores ordenadores cuánticos. Nuestras nuevas instalaciones incluyen todo lo que necesitamos para ampliar los límites de la I+D cuántica, desde la fabricación, las pruebas y el funcionamiento de los procesadores cuánticos, hasta la innovación de los procesos de control de los ordenadores cuánticos y la ampliación de las tecnologías necesarias para soportar dispositivos cuánticos más grandes, como los sistemas de refrigeración criogénica y el cableado.
De la investigación a la realidad
Una meta tan audaz como la construcción de un ordenador cuántico tolerante a fallas significa naturalmente que habrá importantes retos científicos y de ingeniería en el camino, y apoyar la investigación y comprometerse con la comunidad científica que trabaja en estos problemas es esencial para acelerar el progreso. Nuestro Centro está situado en el campus de Caltech, lo que nos permite interactuar con estudiantes y profesores de los principales grupos de investigación en física e ingeniería a pocos metros de distancia. Elegimos asociarnos con Caltech en parte debido a la vasta historia de contribuciones de la universidad hacia la computación -tanto clásica como cuántica-, desde pioneros como Richard Feynman, cuya visión hace 40 años puede atribuirse a la puesta en marcha del campo de la computación cuántica, hasta los actuales líderes técnicos del Centro de Computación Cuántica de AWS: Oskar Painter (Profesor de física aplicada John G. Braun, jefe de hardware cuántico) y Fernando Brandao (Profesor de física teórica Bren y jefe de algoritmos cuánticos). A través de esta asociación también estamos apoyando a la próxima generación de científicos cuánticos, proporcionando becas y oportunidades de formación para estudiantes y miembros jóvenes de la facultad.
Pero nuestras conexiones con la comunidad investigadora no terminan aquí. Nuestras relaciones con un grupo diverso de investigadores nos ayudan a mantenernos a la vanguardia de la investigación en ciencias de la información cuántica. Por ejemplo, varios expertos en campos relacionados con la cuántica contribuyen a nuestros esfuerzos como Amazon Scholars y Amazon Visiting Academics, entre ellos Liang Jiang (Universidad de Chicago), Alexey Gorshkov (Universidad de Maryland), John Preskill (Caltech), Gil Refael (Caltech), Amir Safavi-Naeimi (Stanford), Dave Schuster (Universidad de Chicago) y James Whitfield (Dartmouth). Estos expertos nos ayudan a innovar y a superar los retos técnicos mientras siguen enseñando e investigando en sus universidades. Creo que este tipo de colaboraciones en esta fase inicial del campo serán fundamentales para comprender plenamente las aplicaciones potenciales y el impacto social de las tecnologías cuánticas.
Construyendo un qubit mejor
Hay muchas maneras de realizar físicamente un ordenador cuántico: la información cuántica puede, por ejemplo, codificarse en partículas que se encuentran en la naturaleza, como los fotones o los átomos, pero en el Centro de Computación Cuántica de AWS nos centramos en los qubits superconductores, es decir, en elementos de circuitos eléctricos construidos con materiales superconductores. Elegimos este enfoque, en parte, porque la capacidad de fabricar estos qubits mediante técnicas de fabricación microelectrónica bien conocidas permite hacer muchos qubits de forma repetible, y nos da más control cuando empezamos a aumentar el número de qubits. Sin embargo, la construcción de un ordenador cuántico útil va más allá de aumentar el número de qubits. Otra métrica importante es la velocidad de reloj del ordenador, o el tiempo necesario para realizar las operaciones de la puerta cuántica. Una mayor velocidad de reloj significa resolver los problemas con mayor rapidez. Aquí también, los qubits superconductores tienen una ventaja sobre otras modalidades, ya que proporcionan puertas cuánticas muy rápidas.
La medida definitiva de la calidad de nuestros qubits será la tasa de error, o la precisión con la que podemos realizar las puertas cuánticas. Los dispositivos cuánticos disponibles en la actualidad son ruidosos y, en consecuencia, están limitados en el tamaño de los circuitos que pueden manejar (unos pocos miles de puertas es lo mejor que podemos esperar con los dispositivos cuánticos de escala intermedia ruidosa (NISQ)). Esto, a su vez, limita enormemente su capacidad de cálculo. En el Centro de Computación Cuántica de AWS estamos tratando de mejorar los qubits de dos maneras: la primera es mejorando las tasas de error a nivel físico, por ejemplo, invirtiendo en mejoras de materiales que reduzcan el ruido. La segunda es a través de arquitecturas innovadoras de qubits, incluyendo el uso de la corrección de errores cuánticos (QEC) para reducir los errores de la puerta cuántica mediante la codificación redundante de la información en un qubit protegido, llamado qubit lógico. Esto permite detectar y corregir los errores de compuerta y realizar operaciones de compuerta en los qubits codificados de forma tolerante a los fallos.
Innovación en la corrección de errores
El QEC típico requiere un gran número de qubits físicos para codificar cada qubit de información lógica. En el Centro de Computación Cuántica de AWS, hemos estado investigando formas de reducir esta sobrecarga mediante el uso de arquitecturas de qubits que nos permitan implementar la corrección de errores de forma más eficiente en el hardware cuántico. En particular, somos optimistas respecto a los enfoques que hacen uso de osciladores armónicos lineales como los qubits Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) y los qubits «gato de Schrödinger», y recientemente hemos propuesto un diseño teórico para un ordenador cuántico tolerante a fallos basado en una arquitectura eficiente de hardware que aprovecha estos últimos.
Una cosa que diferencia este enfoque es que aprovechamos una técnica llamada «error-biasing». Hay dos tipos de errores que pueden afectar a la computación cuántica: el bit-flip (cambios de estado entre 0 y 1 debidos al ruido) y los cambios de fase (la inversión de la paridad en la superposición de 0 y 1). En el caso del sesgo de error, utilizamos qubits físicos que nos permiten suprimir exponencialmente los cambios de estado, mientras que los cambios de fase sólo aumentan linealmente. A continuación, combinamos este sesgo de error con un código de repetición externo consistente en una cadena lineal de qubits gato para detectar y corregir los errores de salto de fase restantes. El resultado es un qubit lógico tolerante a fallos que tiene una tasa de error más baja para almacenar y manipular la información cuántica codificada. El hecho de no tener que corregir los errores de cambio de fase es la razón por la que esta arquitectura es eficiente desde el punto de vista del hardware y muestra un enorme potencial de ampliación.
Construyendo el futuro para nuestros clientes
El camino hacia un ordenador cuántico con corrección de errores comienza con unos cuantos qubits lógicos. Un hito clave para nuestro equipo -y para el campo de la computación cuántica- será demostrar el punto de equilibrio con un qubit lógico, donde la precisión del qubit lógico supera la de los qubits físicos que constituyen sus bloques de construcción. Nuestro objetivo final es ofrecer un ordenador cuántico con corrección de errores que pueda realizar cálculos fiables no sólo más allá de lo que es capaz cualquier tecnología de computación clásica, sino a la escala necesaria para resolver problemas de importancia práctica de los clientes.
El procesador cuántico AWS está envuelto en un paquete de microondas. El paquete está diseñado para proteger los qubits del ruido ambiental y permitir la comunicación con los sistemas de control del ordenador cuántico.
¿Por qué fijar un objetivo tan ambicioso? Los algoritmos cuánticos con mayor potencial de impacto, por ejemplo, en industrias como la manufacturera o la farmacéutica, no pueden resolverse simplemente ampliando las tecnologías cuánticas actuales. Perseguir innovaciones revolucionarias en lugar de mejoras incrementales siempre toma más tiempo, pero creemos que un enfoque audaz que reconsidere fundamentalmente lo que hace un buen qubit es la mejor manera de ofrecer la herramienta computacional definitiva: una máquina que pueda ejecutar algoritmos que requieran entre cientos de miles y miles de millones de operaciones de compuertas cuánticas en cada qubit con un máximo de un error sobre el número total de compuertas, un nivel de precisión necesario para resolver los problemas computacionales más complejos que tienen valor social y comercial.
Al hablar con nuestros clientes de AWS quantica en los últimos dos años, hemos descubierto que los que están más entusiasmados con el potencial de la cuántica también son realistas en cuanto a los desafíos de realizar todo el potencial de esta tecnología, y están ansiosos por colaborar con nosotros para hacerla realidad, incluso mientras construyen su propia experiencia interna en cuántica. En el Centro de Computación Cuántica de AWS, hemos reunido un equipo fantástico que está comprometido con este emocionante viaje hacia la computación cuántica tolerante a fallas. Esté atento y únase a nosotros.
