Amazon Web Services (AWS) ha anunciado hoy Ocelot, un nuevo chip de computación cuántica que puede reducir los costes de implementación para la corrección cuántica de errores hasta en un 90%, en comparación con los enfoques actuales. Desarrollado por el equipo del Centro de Computación Cuántica de AWS, en el Instituto Tecnológico de California, Ocelot representa un gran avance en la búsqueda de la construcción de computadoras cuánticas tolerantes a fallas capaces de resolver problemas de relevancia comercial y científica que están fuera del alcance de las actuales computadoras convencionales.
AWS ha utilizado un diseño novedoso para la arquitectura de Ocelot, incorporando la corrección de errores desde cero y utilizando el “cat qubit”. Los cat qubit -llamados así por el famoso experimento mental del gato de Schrödinger– suprimen intrínsecamente ciertas formas de error, reduciendo los recursos necesarios para la corrección de errores cuánticos. Gracias a este nuevo enfoque con Ocelot, los investigadores de AWS han combinado por primera vez la tecnología de cat qubit y componentes adicionales de corrección de errores cuánticos en un microchip que puede fabricarse de forma escalable mediante procesos propios de la industria microelectrónica.
La historia demuestra que los avances importantes en informática se han logrado replanteando los componentes de hardware, puesto que esto tiene un impacto significativo en el coste, el rendimiento e incluso la viabilidad de una nueva tecnología. La revolución informática comenzó realmente cuando el transistor sustituyó al tubo de vacío, lo que permitió reducir el tamaño de los computadoras hasta convertirlos en las laptops actuales, mucho más potentes, fiables y baratas. La elección del elemento constructivo adecuado para escalar es fundamental, y el anuncio de hoy representa un paso importante en el desarrollo de medios eficientes para escalar a computadoras cuánticas prácticas y tolerantes a fallos.
“Con los recientes avances en la investigación cuántica, ya no se trata de ‘y si’, sino ‘cuando sean prácticas’, las computadoras cuánticas tolerantes a fallas estarán disponibles para aplicaciones del mundo real. Ocelot es un paso importante en ese viaje”, dijo Oskar Painter, director de Quantum Hardware de AWS. “En el futuro, los chips cuánticos construidos de acuerdo con la arquitectura Ocelot podrían costar tan poco como una quinta parte de los enfoques actuales, debido a la cantidad drásticamente reducida de recursos necesarios para la corrección de errores. Concretamente, creemos que esto acelerará nuestra línea de tiempo a una computadora cuántica práctica hasta por cinco años”.
Los investigadores de AWS han publicado sus hallazgos en un artículo de investigación revisado por pares en Nature. Lee un artículo con más detalles técnicos sobre Ocelot aquí Amazon Science.
El mayor reto de la computación cuántica
Uno de los mayores retos de las computadoras cuánticas es que son increíblemente sensibles a los cambios más pequeños o al “ruido” de su entorno. Las vibraciones, el calor, las interferencias electromagnéticas de los celulares y las redes Wi-Fi, o incluso los rayos cósmicos y la radiación del espacio exterior, pueden sacar a los qubits de su estado cuántico, provocando errores en el cálculo que se está realizando. Hasta ahora, esto ha dificultado enormemente la construcción de computadoras cuánticas capaces de realizar cálculos fiables y sin errores de una complejidad significativa. “El mayor reto no es construir más qubits”, afirma Painter. “Es hacer que funcionen de forma confiable”.
Para resolver este problema, las computadoras cuánticas recurren a la corrección cuántica de errores, que utiliza codificaciones especiales de la información cuántica en múltiples qubits -en forma de qubits “lógicos”- para proteger la información cuántica del entorno. Esto también permite detectar y corregir los errores a medida que se producen. Por desgracia, dado el gran número de qubits necesarios para obtener resultados precisos, los métodos actuales de corrección cuántica de errores tienen un costo enorme y, por tanto, prohibitivo.
Un nuevo enfoque de la corrección de errores cuánticos
Para abordar los problemas actuales asociados a la corrección cuántica de errores, los investigadores de AWS desarrollaron Ocelot. Ocelot se diseñó desde cero con la corrección de errores incorporada. “Observamos cómo abordaban otros la corrección de errores cuántica y decidimos tomar un camino diferente”, explica Painter. “No tomamos una arquitectura ya existente e intentamos incorporarle después la corrección de errores. Elegimos nuestro qubit y nuestra arquitectura con la corrección de errores cuántica como requisito principal. Creemos que, si vamos a fabricar computadoras cuánticas prácticas, la corrección de errores cuántica debe ser prioridad”. De hecho, según Painter, su equipo calcula que escalar Ocelot a “una computadora cuántica capaz de tener un impacto social transformador requeriría tan sólo una décima parte de los recursos asociados a los enfoques estándar de corrección de errores cuánticos”
Una forma de pensar en la corrección cuántica es en el contexto del control de calidad en la fabricación, y la diferencia entre necesitar un punto de inspección para detectar todos los defectos, en lugar de 10 puntos de inspección. En otras palabras, ofrece el mismo resultado, pero con menos recursos y una mejora general del proceso de fabricación. Al reducir la cantidad de recursos necesarios mediante enfoques como el de Ocelot, las computadoras cuánticas pueden construirse más pequeñas, más confiables y a menor costo. Todo ello acelera el camino hacia la utilización de la computación cuántica en aplicaciones futuras en el mundo real, como el aumentar la rapidez en el descubrimiento y desarrollo fármacos, la producción de nuevos materiales, la capacidad de hacer predicciones más precisas sobre estrategias de riesgo e inversión en los mercados financieros, y muchas más.
Hacer de la ciencia ficción, ciencia real
Aunque el anuncio de hoy es un comienzo prometedor, Ocelot sigue siendo un prototipo y AWS se compromete a seguir invirtiendo en investigación cuántica y perfeccionando su enfoque. De la misma manera que se necesitaron muchos años de desarrollo y aprendizajes sobre el funcionamiento de sistemas x86 (una arquitectura informática ampliamente utilizada para unidades centrales de procesamiento) de forma fiable y segura a escala para convertir Graviton en uno de los chips líderes en la nube, AWS está adoptando un enfoque similar para la computación cuántica. “Apenas estamos comenzando y creemos que tenemos que tenemos varias etapas más de escalado por atravesar”, afirma Painter. “Es un problema muy difícil de abordar y tendremos que seguir invirtiendo en investigación básica, mientras que nos mantenemos conectados y aprendemos del importante trabajo que se realiza en el mundo académico. Ahora mismo, nuestra tarea consiste en seguir innovando en toda la pila de computación cuántica, seguir examinando si estamos utilizando la arquitectura adecuada e incorporar estos aprendizajes a nuestros esfuerzos de ingeniería. Es una rueda de mejora y escalado continua”.
Cómo comenzar con la computación cuántica
Los clientes pueden comenzar a explorar la computación cuántica hoy mismo con Amazon Braket en AWS. Amazon Braket es un servicio de computación cuántica totalmente administrado que permite a científicos, desarrolladores y estudiantes trabajar con una gama de hardware de computación cuántica de terceros, simuladores de alto rendimiento y un conjunto de herramientas de software que facilitan el inicio en la computación cuántica.
Ocelot: datos rápidos
- Ocelot es un prototipo de chip a pequeña escala diseñado para probar la eficacia de la arquitectura de corrección de errores cuánticos de AWS.
- Consta de dos microchips de silicio integrado. Cada chip tiene una superficie aproximada de 1 cm2. Están colocados uno encima del otro, en una pila de chips conectados eléctricamente.
- En la superficie de cada microchip de silicio hay finas capas de materiales superconductores que forman los elementos del circuito cuántico.
- Los circuitos de Ocelot constan de 14 componentes centrales: 5 qubits de datos (los qubits cat), 5 “circuitos búfer” para estabilizar los qubits de datos, y 4 qubits adicionales para detectar errores en los qubits de datos.
- Los qubits cat almacenan los estados cuánticos utilizados para el procesamiento. Para ello, se basan en unos componentes llamados ‘osciladores’, que generan una señal eléctrica repetitiva con una temporización constante.
- Los osciladores de alta calidad de Ocelot están fabricados con una fina película superconductora de un material llamado ‘tántalio’. Los científicos de materiales de AWS han desarrollado una forma específica de procesar el tántalio en el chip de silicio para aumentar el rendimiento de los osciladores.
¿Cómo funcionan las computadoras cuánticas?
Las computadoras cuánticas pueden impulsar grandes avances en la sociedad y la tecnología, desde la criptografía hasta la ingeniería de nuevos materiales. La principal diferencia entre las computadoras convencionales o «clásicas» que utilizamos hoy en día y las cuánticas, es que los primeros utilizan bits (representados normalmente como un valor digital de 1 o 0) como unidad básica de información. En cambio, las computadoras cuánticas utilizan bits cuánticos o qubits, generalmente partículas elementales como electrones o fotones, para realizar los cálculos. Los científicos pueden aplicar pulsos electromagnéticos sincronizados con precisión para manipular el llamado estado cuántico del qubit, que puede ser 1 y 0 al mismo tiempo. Este increíble comportamiento, cuando se realiza en muchos qubits, permite a una computadora cuántica resolver algunos importantes problemas exponencialmente más rápido de lo que podría hacerla una computadora clásica.
