Hoy, en la primera Conferencia para desarrolladores IBM Quantum (QDC), los investigadores de IBM anunciaron que habían cumplido con éxito esa promesa: una computadora cuántica capaz de ejecutar circuitos cuánticos con hasta 5000 operaciones de compuertas de dos cúbits, impulsada por la segunda revisión del IBM Quantum Heron. Gracias a los avances revolucionarios en hardware, middleware y software, Heron ahora es capaz de ejecutar cálculos precisos empleando circuitos con 5000 compuertas de dos cúbits. A modo de comparación, el experimento de utilidad , que anunció la era de la utilidad cuántica y fue impulsado por el procesador IBM Quantum Eagle, solo llegó a un total de 2880 compuertas de dos cúbits.

Los usuarios de los servicios y las computadoras cuánticas de IBM ahora tienen acceso a este rendimiento gracias a la pila de software Qiskit y a las funciones Qiskit que ofrecen socios externos. La comunidad cuántica en general ha publicado docenas de artículos a escala de servicios públicos, mientras que los proveedores de funciones han proporcionado sus propias capacidades que impulsan la precisión y la escala de los circuitos cuánticos para impulsar aún más el descubrimiento de algoritmos.

Este anuncio llega junto con una serie de lanzamientos de hardware y software, y los investigadores de IBM informan que seguimos avanzando con éxito en nuestras hojas de ruta de desarrollo e innovación. Esto es lo que todo esto significa para usted.

IBM Quantum Heron R2

Desarrollo de hardware capaz de ejecutar 5.000 puertas

El Desafío 100×100: Un Hito en la Computación Cuántica

El logro del desafío 100×100, anunciado en el IBM Quantum Summit 2022, marca un hito significativo en el campo de la computación cuántica.

Al ejecutar con precisión circuitos de 5000 puertas de dos cúbits, hemos superado un umbral crucial, adentrándonos en un territorio donde los simuladores clásicos se vuelven ineficientes.

Este avance no solo es un testimonio de los progresos en hardware y software cuántico, sino que también abre nuevas y emocionantes posibilidades para la investigación científica y la aplicación de tecnologías cuánticas en diversos campos.

Hardware y Software: Los Pilares del Éxito de IBM Quantum Developer

Para alcanzar este hito, fue necesario un desarrollo sin precedentes tanto en el hardware como en el software cuántico. Nuestro chip modular Heron, en su versión R2, desempeñó un papel fundamental. Con 156 cúbits y una arquitectura de acoplador ajustable, este chip ofrece una mayor conectividad y menor diafonía entre los cúbits, lo que mejora significativamente la fidelidad de las operaciones cuánticas. Además, la incorporación de una nueva mitigación de sistemas de dos niveles ha permitido reducir el impacto de una de las principales fuentes de ruido en los sistemas cuánticos.

En paralelo, se realizaron importantes optimizaciones en la pila de software del sistema cuántico. La introducción de un entorno de ejecución de última generación y la implementación de la compilación paramétrica han acelerado significativamente la ejecución de circuitos. Estas mejoras, combinadas con optimizaciones en el movimiento de datos, han permitido alcanzar velocidades de más de 150.000 CLOPS (operaciones de capa de circuito por segundo), lo que es esencial para ejecutar circuitos largos y complejos.

Implicaciones y Perspectivas Futuras

El logro del desafío 100×100 tiene profundas implicaciones para el futuro de la computación cuántica. Al poner a disposición de los investigadores circuitos cuánticos de mayor escala y complejidad, abrimos la puerta a nuevos algoritmos y aplicaciones que antes eran inimaginables. Algunas de las áreas donde se espera un mayor impacto incluyen:

• Descubrimiento de materiales: La simulación de moléculas y materiales a escala cuántica permitirá el diseño de nuevos materiales con propiedades revolucionarias, como superconductores a temperatura ambiente o catalizadores altamente eficientes.
• Desarrollo de fármacos: La simulación de sistemas biológicos a nivel cuántico permitirá acelerar el descubrimiento y desarrollo de nuevos fármacos, así como una mejor comprensión de enfermedades como el cáncer.
• Optimización de sistemas complejos: Los algoritmos cuánticos pueden resolver problemas de optimización complejos que están fuera del alcance de los ordenadores clásicos, lo que tendrá un impacto en sectores como la logística, la finanzas y la inteligencia artificial.
• Criptografía post-cuántica: El desarrollo de ordenadores cuánticos plantea nuevos desafíos para la seguridad de la información. La investigación en criptografía post-cuántica es crucial para proteger los sistemas de comunicación y almacenamiento de datos frente a futuras amenazas cuánticas.

El Camino por Delante

Si bien el logro del desafío 100×100 es un hito importante, es solo el comienzo de un largo camino. En los próximos años, podemos esperar avances aún más significativos en el campo de la computación cuántica.

La miniaturización de los dispositivos cuánticos, la mejora de la corrección de errores y el desarrollo de nuevos algoritmos cuánticos son solo algunas de las áreas donde se están realizando intensas investigaciones.

El desafío 100×100 ha demostrado que la computación cuántica ha alcanzado un punto de inflexión.

Los avances en hardware y software están permitiendo a los investigadores explorar nuevas fronteras y desarrollar aplicaciones que podrían revolucionar múltiples industrias.

A medida que la tecnología cuántica continúa madurando, podemos esperar un futuro donde los ordenadores cuánticos desempeñen un papel cada vez más importante en nuestra sociedad.

Aumento de las operaciones de capa de circuito por segundo (CLOPS), 2022-2024

Quizás lo más importante es que hemos mejorado la fiabilidad de nuestros ordenadores y servicios. Cuando realizamos el experimento de utilidad el año pasado, tuvimos que hacerlo con circuitos y software personalizados.

Ahora, los clientes pueden replicar estas demostraciones por sí mismos utilizando las herramientas de Qiskit y pueden ejecutar los circuitos correspondientes 50 veces más rápido que el experimento del artículo original sobre utilidad cuántica.

Pero el desafío 100×100 no se limitaba a mejorar el hardware y el software de IBM Quantum. Era un llamado a la acción para que la comunidad cuántica global desarrollara algoritmos que aprovecharan al máximo un sistema de este tipo. Junto con los anuncios de hoy, nos complace decir que varios de nuestros socios emergentes ahora ofrecen capacidades innovadoras propias, que están poniendo a disposición como parte del Catálogo de funciones de Qiskit . Cada una de estas demostraciones también se está acercando al umbral de las 5000 puertas.

La computación cuántica de alto rendimiento acelera el descubrimiento científico

Ahora que los dispositivos cuánticos pueden ejecutar circuitos que van más allá de la capacidad de los métodos clásicos de fuerza bruta, debemos comenzar a identificar los algoritmos que utilizarán estos circuitos para lograr una ventaja computacional. IBM Quantum ofrece herramientas poderosas que pueden ayudar a los investigadores en sus descubrimientos.

Estas herramientas se centran en una tesis importante: a medida que la informática madure, los algoritmos que dependen cada vez más del álgebra lineal necesitarán utilizar ordenadores cuánticos en lugares donde los ordenadores clásicos no pueden seguir el ritmo. La precisión de estos algoritmos depende de la precisión de sus subrutinas cuánticas, que, a su vez, depende de la longitud de los circuitos cuánticos que podemos ejecutar.

En este paradigma, en el que la cuántica es una subrutina de un algoritmo más grande, debemos asegurarnos de que nuestras computadoras cuánticas puedan ejecutar circuitos largos y que el hardware cuántico esté habilitado por un software rápido y de alto rendimiento. La cuántica no puede ser un cuello de botella.

Pila de tecnología IBM Quantum

Este año, anunciamos varias herramientas nuevas para mejorar el rendimiento de nuestro software cuántico.

Ya hemos hablado anteriormente de cómo las actualizaciones recientes del SDK de Qiskit (incluida su primera versión estable, Qiskit SDK v1.0) han demostrado que es el software cuántico de mayor rendimiento para crear y transpilar circuitos.

Sin embargo, Qiskit es más que un simple SDK. Es un conjunto completo de herramientas de software para ejecutar circuitos cuánticos y abstraer partes del flujo de trabajo de desarrollo, y nuestros esfuerzos por mejorar Qiskit se han extendido mucho más allá del SDK principal.

Por ejemplo, a principios de este año, presentamos el servicio de transpilación Qiskit como una versión preliminar para los usuarios de nuestro plan Premium.

El servicio de transpilación Qiskit le permite transpilar circuitos en la nube, aprovechando el poder de los pases de transpilación impulsados ​​por IA para ejecutar circuitos de manera más eficiente.

Gracias a estos nuevos métodos, ya estamos viendo una mejora de profundidad del 30 % en los circuitos que evaluamos anteriormente al probar el rendimiento de Qiskit.

Al mismo tiempo, no basta con que nuestro software sea rápido. También debe ser fácil de usar. Este año, presentamos los complementos Qiskit , capacidades de investigación desarrolladas como herramientas modulares que se pueden conectar a un flujo de trabajo para ayudar a diseñar nuevos algoritmos a escala de servicios públicos. Su impacto en el proceso de I+D es claro. El año pasado, RIKEN e IBM utilizaron entornos de supercomputación centrados en lo cuántico para modelar problemas de química más allá de las soluciones de fuerza bruta. Este trabajo llevó aproximadamente un año desde el arxiv inicial hasta la publicación y ahora hemos transformado esa investigación en el complemento SQD . Desde entonces, la Cleveland Clinic Foundation ha utilizado el complemento SQD para publicar sus propias simulaciones de química, ambas en tan solo unos meses.

También hemos lanzado una variedad de herramientas adicionales que simplifican aún más el proceso de I+D para nuestros usuarios, de modo que puedan comenzar a explorar aplicaciones específicas del dominio con computación cuántica. Ofrecemos nuevas funciones Qiskit que abstraen muchas de las complejidades del desarrollo de software cuántico como parte del Catálogo de funciones Qiskit. También hemos lanzado el Asistente de código Qiskit en versión preliminar para nuestros usuarios del Plan Premium. El Asistente de código Qiskit le permite escribir código de computación cuántica más rápido con GenAI, impulsado por nuestro granite-8b-qiskit modele IBM watsonx.

Nuevas innovaciones que impulsan el rendimiento en el futuro

Flamingo cuántico de IBM

El año pasado, actualizamos nuestra hoja de ruta de desarrollo para hacer un seguimiento no solo de los sistemas que se lanzarán a los clientes, sino también de las innovaciones que debemos implementar para lograr la computación cuántica con corrección de errores a gran escala. Mostramos varias de esas innovaciones en la QDC de este año.

En el centro de nuestra hoja de ruta de innovación se encuentra nuestro plan de desarrollar nuevos acopladores para hacer funcionar puertas en varios chips cuánticos. Este año, informamos de los resultados de dos tipos de acopladores: los acopladores l, que conectan chips con cables, y los acopladores m, que unen chips adyacentes.

Hoy, hemos demostrado los acopladores L con una prueba de concepto llamada IBM Quantum Flamingo, que conecta dos chips Heron R2 con cuatro conectores de hasta un metro de largo. Los acopladores L nos permiten implementar puertas CNOT en chips distantes.

En este momento, los mejores CNOT que hemos evaluado han sido en dispositivos de prueba, con errores por puerta del 3,5 % para una operación de 235 nanosegundos.

Esperamos que estas métricas mejoren y lanzaremos un sistema basado en Flamingo listo para producción para que lo utilicen nuestros clientes a fines de 2025.

También hemos creado prototipos de las tecnologías para acopladores m integrados en un dispositivo ampliado llamado IBM Quantum Crossbill.

Este chip consta de tres Herons conectados con 548 acopladores y 8 conexiones de acopladores m entre chips.

El año pasado, mostramos IBM Quantum Condor, un chip de 1121 cúbits que puso a prueba los límites del rendimiento y el escalado monolítico.

Este año, demostramos que con los acopladores m podemos realizar puertas de dos cúbits de alta calidad y también mostramos conectores integrados con encapsulado de silicio a gran escala. Totalmente ensamblados en Crossbill, juntos producen un dispositivo con más de 1000 elementos cuánticos con solo 1/5 del área de un Condor completamente empaquetado en una placa de circuito.

La tecnología de acopladores m proporciona opciones de escalado adicionales para las próximas partes de nuestra hoja de ruta.

Ahora, debemos seguir desarrollando los avances que nos permitirán implementar el código de corrección de errores que publicamos a principios de este año.

Este código tiene el potencial de almacenar información cuántica con una fracción de la sobrecarga asociada con otros códigos QEC líderes.

Sin embargo, también requiere una mayor conectividad de cúbits, es decir, cúbits conectados a más de sus vecinos.

Además, necesitaremos desarrollar acopladores c, o acopladores que vinculen cúbits distantes en el mismo chip.

Estamos bien encaminados hacia la realización de estas tecnologías, con la esperanza de demostrar los acopladores c con Kookaburra, programado para 2026.

Por fin estamos empezando a hacer realidad nuestra visión definitiva de la supercomputación centrada en la cuántica.

Hoy en día, las instalaciones informáticas clásicas son capaces de ejecutar flujos de trabajo tremendamente complejos gracias a sistemas denominados sistemas de gestión de cargas de trabajo.

Estos supervisan los recursos computacionales disponibles y ejecutan tareas de manera eficiente en ellos.

Este año, trabajamos con el Instituto Politécnico Rensselaer para incorporar la cuántica al panorama de la gestión de cargas de trabajo.

Con la ayuda de nuestros socios en RPI, pudimos demostrar el primer flujo de trabajo heterogéneo en un entorno de supercomputación centrado en la cuántica completamente realizado al conectar la supercomputadora AiMOS y el IBM Quantum System One en un entorno computacional singular administrado por el administrador de recursos Slurm.

Innovando como comunidad

Siempre hemos considerado nuestra misión cuántica como un acuerdo de trabajo entre IBM y la comunidad de investigación cuántica global. Impulsamos el rendimiento de nuestro hardware y software, pero es la comunidad la que debe descubrir los algoritmos que utilizarán estas herramientas para lograr una ventaja cuántica.

Nos comprometemos a ofrecer las herramientas que nuestros usuarios necesitan para hacer verdaderos descubrimientos científicos en esta nueva era, en la que las computadoras cuánticas finalmente están demostrando su utilidad más allá de los métodos clásicos de fuerza bruta. Además, seguimos invirtiendo en el desarrollo de recursos de aprendizaje de primera clase para que los usuarios puedan ampliar estas herramientas, y seguimos colaborando con nuestros clientes y socios para ayudar a dar vida a sus ideas. Ahora, con el primer QDC, ofrecemos a los desarrolladores los recursos que necesitan para ampliar las computadoras cuánticas a sus respectivos dominios.

Ahora, trabajemos juntos para desbloquear la ventaja cuántica como comunidad y llevar la computación cuántica útil al mundo en un contexto de cambio continuo.