Tecnología cuántica de IBM

La flota de computadoras cuánticas de IBM®, todas con al menos 127 qubits, es la más grande del mundo. Estas computadoras cuánticas utilizan qubits transmon superconductores, que no son el único tipo de qubit, pero que tienen muchas ventajas. Combinar nuestras computadoras cuánticas de clase mundial con Qiskit permite a nuestros usuarios explorar cómo la computación cuántica puede ser útil en el mundo, hoy. Socios de la industria e investigadores están usando la tecnología IBM Quantum® para explorar cálculos significativos y aplicaciones realistas. Exploremos la amplitud de los programas y servicios que IBM Quantum ofrece a sus socios.

Si formas parte de una institución que es miembro de la IBM Quantum Network, asegúrate de contactar al grupo de computación cuántica de tu institución para determinar a qué beneficios tienes acceso.

Objetivos de aprendizaje

Al finalizar este módulo, deberías ser capaz de:

• Reconocer que resolver problemas significativos implicará una combinación de recursos cuánticos y clásicos.
• Identificar el hardware, software y servicios disponibles para resolver problemas significativos.
• Describir cómo medir el rendimiento de la computación cuántica, incluyendo escala, calidad y velocidad.

IBM Quantum Platform

IBM Quantum Platform ofrece un conjunto de herramientas de computación cuántica que reúne en un solo lugar todos los recursos de investigación y desarrollo que los usuarios necesitan para hacer un gran trabajo. Los usuarios pueden crear una cuenta e iniciar sesión para acceder a las computadoras cuánticas de IBM, ver detalles de los equipos, hacer seguimiento de las cargas de trabajo y acceder a material de habilitación en Documentación y Aprendizaje.

• La página de inicio sirve como punto de partida principal para el ecosistema de productos, donde los usuarios pueden obtener sus claves de API, ver un resumen de sus instancias e información de uso, ver los detalles de trabajos recientes y acceder a enlaces útiles hacia otras partes de la plataforma.
• Documentación agrega la documentación de Qiskit, la documentación de servicios y la información de referencia de la API en un solo lugar, organizada de manera que respalde los flujos de trabajo naturales de los usuarios.
• Learning es el hogar del material educativo, incluyendo cursos y módulos de enseñanza, y el Circuit Composer interactivo (próximamente). Este editor combinado gráfico y de código permite a los usuarios prototipar, simular y depurar circuitos visualmente, y luego ejecutarlos en computadoras cuánticas de IBM.

Qiskit Runtime

Qiskit Runtime es una arquitectura portátil, segura y en contenedores que ejecuta programas cuánticos en una unidad de computación clásica estrechamente integrada con el procesador cuántico. Qiskit Runtime permite que la computadora cuántica forme parte de cualquier entorno de computación para acelerar el cómputo —de manera similar a una unidad de procesamiento gráfico (GPU)— y gestiona la orquestación de trabajos y la transferencia de datos a la unidad de procesamiento cuántico, maximizando la eficiencia.

Qiskit y Qiskit Runtime facilitan la orquestación rápida de programas a través de recursos de cómputo en la nube. IBM construye middleware para computación cuántica con el fin de maximizar el rendimiento de las aplicaciones cuánticas que se ejecutan en recursos computacionales cuánticos y clásicos paralelizados y basados en la nube. Este middleware incluye el circuit knitting toolbox y nuestra arquitectura de quantum serverless.

El complemento de circuit cutting para Qiskit permite a los desarrolladores dividir circuitos grandes en circuitos más pequeños adecuados para las computadoras cuánticas actuales. El circuit knitting utiliza computación clásica para asumir parte de la carga computacional de un circuito cuántico, superando lo que podríamos lograr con cualquiera de los dos por separado. Herramientas adicionales ayudan a reconstruir circuitos con recursos clásicos y a unir los resultados finales.

Quantum Serverless es un kit de herramientas de orquestación multi-nube para conectar recursos clásicos elásticos con el servicio IBM Qiskit Runtime. Quantum Serverless permite a los desarrolladores centrarse en el código, en lugar de en el aprovisionamiento de recursos.

Computadoras cuánticas superconductoras de IBM

Los procesadores cuánticos de IBM utilizan un tipo físico de qubit llamado qubit transmon superconductor, que está fabricado a partir de materiales superconductores grabados sobre un sustrato de silicio. Otros procesadores cuánticos pueden usar qubits fotónicos, hechos de fotones individuales de luz, o qubits de iones atrapados, que almacenan información en partículas atómicas cargadas. Para facilitar el flujo de corriente eléctrica, los qubits superconductores deben mantenerse a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto.

Procesador IBM de 127 qubits

Rendimiento de la computación cuántica

Cómo medir el rendimiento de la computación cuántica

Una computadora cuántica universal tolerante a fallos es el gran desafío de la computación cuántica. Es un dispositivo capaz de realizar correctamente operaciones cuánticas universales utilizando componentes no confiables. Las computadoras cuánticas actuales no son tolerantes a fallos.

Para comparar computadoras cuánticas entre sí, el conteo de qubits no es suficiente. Se deben considerar muchos otros detalles, como las tasas de error y la forma en que el sistema está conectado. Hay cuatro métricas clave para medir el rendimiento de la computación cuántica:

• Escala - Medida por el número de qubits, que indica la cantidad de información que podemos codificar en la computadora cuántica.
• Calidad - Medida por el Quantum Volume, que indica la calidad de los circuitos y qué tan fielmente se implementan en el hardware.
• Velocidad - Medida por CLOPS (Circuit Layer Operations Per Second), que indica cuántos circuitos pueden ejecutarse en el hardware en un tiempo dado.
• Fidelidad de capa - Medida por EPLG (Errors Per Layered Gate), que describe cómo ocurren los errores cuando se realizan operaciones sobre los qubits.

Para una descripción más detallada de algunas de las métricas anteriores, consulta este artículo en el IBM Research Blog. Cada fase en la adopción de la computación cuántica en la industria está impulsada por el aumento del Quantum Volume, que se calcula utilizando varios parámetros como el ancho del circuito, la conectividad de los qubits y las tasas de error.

La definición técnica del Quantum Volume es difícil de comunicar sin ecuaciones. Dario Gil, Director de Investigación de IBM, explica:

Para entender mejor el Quantum Volume, considera la siguiente analogía interesante. La sección a continuación aborda el tiempo, el espacio y las tasas de error en términos de realizar un recorrido por la ciudad de Nueva York.

Recorriendo los estados del Quantum Volume

El Quantum Volume describe el mayor espacio computacional cuántico que una computadora cuántica puede explorar, donde el volumen del espacio cuántico es 2^N, siendo N el número de qubits, es decir, la dimensión habitual del espacio de estados. Usamos intencionalmente la palabra "espacio" porque, una vez que la mencionamos, resulta sencillo pensar en un volumen.

El factor que limita esta exploración es la tasa de error. La tasa de error puede equipararse con el tiempo que tenemos disponible para explorar el espacio. Más errores significa menos tiempo para explorar. Cuanto mayor sea el espacio computacional, más tiempo se necesita para explorarlo completamente, por lo que necesitamos una computadora cuántica con una tasa de error menor.

Imagina a un turista explorando la ciudad de Nueva York. El turista quiere recorrer toda la ciudad, es decir, quiere un volumen turístico del tamaño de Nueva York. Si le damos solo un día, no hay manera de explorar tanto espacio, por lo que el turista no obtiene el volumen turístico deseado. Sin embargo, si le damos tres días, probablemente pueda visitar todos los lugares más importantes y obtener el volumen turístico necesario de Nueva York.

Ahora, ¿qué pasaría si le diéramos al turista más tiempo pero seguimos limitando el espacio a Nueva York? En otras palabras, ¿qué pasa si mantenemos el número de qubits igual pero reducimos la tasa de error? Entonces no habría beneficio para el turista, ya que este ya ha explorado la ciudad y simplemente estaría visitando los mismos lugares una y otra vez. El volumen turístico permanece igual. En cambio, con más tiempo, lo más inteligente sería que el turista ampliara el número de lugares a visitar.

O supongamos que mantenemos el tiempo fijo en tres días, pero el turista decide intentar explorar toda Nueva York y Long Island. En otras palabras, ¿qué pasa si fijamos la tasa de error pero añadimos más qubits? De nuevo, el volumen turístico sigue siendo el de Nueva York porque el turista no puede explorar el espacio más grande en el tiempo asignado. Por lo tanto, ser un mejor turista y lograr un mayor volumen turístico requiere aumentar simultáneamente el espacio de exploración y el tiempo disponible para explorar.

De la misma manera, construir mejores computadoras cuánticas que logren mayores Quantum Volumes requiere aumentar simultáneamente el espacio computacional cuántico (número de qubits) mientras se reduce la tasa de error (aumentando el tiempo durante el cual puede ejecutarse el algoritmo). Por ejemplo, gracias a los avances en arquitecturas de acoplamiento sintonizable, IBM duplicó el quantum volume dos veces en un solo año.

Sin embargo, a medida que evoluciona la computación cuántica, empezamos a preocuparnos más por el trabajo útil que nuestras computadoras cuánticas pueden realizar en un tiempo razonable. Si medimos la escala por el número de qubits y la calidad por el quantum volume, entonces la velocidad de procesamiento cuántico es la medida del trabajo útil que esos qubits pueden realizar en un tiempo razonable. La definimos como el número de circuitos primitivos que pueden procesarse por segundo. Es similar a los FLOPS en computación clásica: el número de operaciones de punto flotante por segundo. Mejorar la velocidad de la QPU es clave para la computación cuántica práctica. Al igual que la programación de computadoras clásicas, la programación cuántica requiere ejecutar muchos circuitos. Una velocidad de QPU razonable permitirá a los usuarios incorporar la computación cuántica como parte de sus flujos de trabajo.

Comprueba tu comprensión

Lee la pregunta a continuación, piensa en tu respuesta y luego haz clic en el triángulo para revelar la solución.

Verdadero o falso: El Quantum Volume se refiere al tamaño de los refrigeradores criogénicos que albergan las computadoras cuánticas de IBM.

Falso. El Quantum Volume es un único número destinado a encapsular el rendimiento de las computadoras cuánticas actuales.

Qué sigue en la computación cuántica

Las computadoras cuánticas actuales, y las que se esperan en el futuro previsible, son ruidosas. Esto significa que son sensibles a perturbaciones ambientales que pueden afectar la fidelidad de los resultados. De manera muy similar a como la computación clásica evoluciónó mediante la escalabilidad modular de los procesadores, la computación eficiente y la paralelización, vemos que la computación cuántica evoluciona para alcanzar su pleno potencial. Mientras trabajamos hacia computadoras cuánticas completamente tolerantes a fallos, queremos resolver problemas útiles con el hardware y el software que tenemos hoy.

Utilidad cuántica

IBM Quantum y la Universidad de California, Berkeley presentaron evidencia de que las computadoras cuánticas pueden proporcionar valor antes de lo esperado gracias a los avances en el hardware de IBM Quantum y los métodos de mitigación de errores. Más allá de una simple prueba de concepto, entregamos resultados lo suficientemente precisos como para ser útiles. El modelo de computación que exploramos con este trabajo es una faceta central de muchos algoritmos diseñados para computadoras cuánticas de corto plazo.

El ciclo de retroalimentación entre lo cuántico y lo clásico es clave para avanzar en las tecnologías cuánticas. Con un enfoque en la utilidad cuántica, usamos lo cuántico para explorar problemas complejos que desafían los marcos de computación de alto rendimiento existentes, y luego verificamos los resultados de forma clásica. Esta continua ida y vuelta de circuitos cuánticos complejos ejecutados en computadoras cuánticas y verificados en computadoras clásicas mejorará ambos dominios computacionales y brindará a los usuarios confianza en las capacidades de las computadoras cuánticas de corto plazo.

Lectura opcional — haz clic en el triángulo para leer más sobre el experimento

• En este experimento, utilizamos los 127 qubits de nuestro procesador IBM Quantum Eagle para simular el comportamiento cambiante de un sistema que se mapea naturalmente a una computadora cuántica, llamado el modelo de Ising cuántico. Los modelos de Ising son simplificaciones de la naturaleza que representan átomos en interacción como una red de sistemas cuánticos de dos opciones en interacción dentro de un campo de energía. Estos sistemas se parecen mucho a los qubits de dos estados que componen nuestras computadoras cuánticas, lo que los convierte en una buena opción para probar las capacidades de nuestros métodos. Usamos ZNE para intentar calcular con precisión una propiedad del sistema llamada su valor de expectación, esencialmente un promedio ponderado de los posibles resultados del circuito.

• Simultáneamente, el equipo de Berkeley intentó simular el mismo sistema utilizando métodos de redes tensoriales con la ayuda de supercomputadoras avanzadas ubicadas en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (NERSC) y en la Universidad de Purdue.

• Los métodos cuánticos siguieron concordando con los métodos exactos. Pero eventualmente, los métodos de aproximación clásica comenzaron a fallar a medida que se aumentaba la dificultad.

• Finalmente, le pedimos a ambas computadoras que realizaran cálculos más allá de lo que podía calcularse exactamente, y la computadora cuántica devolvió una respuesta en la que teníamos más confianza de que era correcta. Y si bien no podemos probar si esa respuesta era realmente correcta, el éxito de Eagle en las ejecuciones anteriores del experimento nos dio confianza en que lo eran.

Corrección de errores

La corrección de errores ha sido un área clave de investigación durante décadas. Pero durante la mayor parte de ese tiempo, las técnicas teóricas de corrección de errores han sido impracticables para implementar en computadoras cuánticas reales, principalmente debido al enorme número de qubits necesarios. De hecho, muchos expertos predicen que la computación cuántica tolerante a fallos práctica (FTQC) requerirá millones de qubits físicos. Pero en un artículo reciente publicado en la portada de Nature, investigadores de IBM introdujeron un nuevo código, al que llamamos el código Gross, que supera esa limitación.

El artículo High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory describe el nuevo código de corrección de errores cuánticos que es aproximadamente 10 veces más eficiente que los métodos anteriores para proteger los frágiles datos cuánticos de la acumulación de errores. Para considerar cuánto más cerca estamos ahora del inicio de la corrección de errores, considera que usando el código Gross puedes proteger 12 qubits lógicos durante aproximadamente un millón de ciclos de verificación de errores usando 288 qubits.

No se espera que la corrección de errores reemplace de repente a la mitigación y supresión de errores. Más bien, durante los próximos años, la mitigación y supresión de errores seguirán desempeñando un papel fundamental, junto con un número creciente de qubits corregidos por errores.

Hoja de ruta de desarrollo de IBM Quantum

Estamos firmemente en la era de la utilidad cuántica. Esto significa que las computadoras cuánticas son mejores en computación cuántica que las computadoras clásicas, y nuestros usuarios pueden aprovecharlas para descubrir nuevos algoritmos y buscar ventajas cuánticas. Nuestra hoja de ruta describe nuestros hitos históricos y planes para lograr la ventaja cuántica a corto plazo para 2026.

Para 2029, entregaremos Starling: una computadora cuántica tolerante a fallos a gran escala capaz de ejecutar circuitos cuánticos que comprenden 100 millones de puertas cuánticas en 200 qubits lógicos. Estamos construyendo este sistema ahora mismo en nuestra histórica instalación en Poughkeepsie, Nueva York. Obtén más información sobre nuestro progreso en el PDF de la Hoja de Ruta Guiada.

Lee más sobre la hoja de ruta de desarrollo de IBM Quantum aquí.

El desafío de 5k

IBM trabaja junto con la comunidad de investigación cuántica para encontrar posibles casos de uso que podrían beneficiarse de la computación cuántica. Proporcionamos herramientas cada vez más poderosas para que los usuarios puedan explorar problemas urgentes con lo cuántico. En 2024, lanzamos una herramienta capaz de calcular observables no sesgados de circuitos largos y de alta calidad. Encontrar qué se puede hacer con esta combinación de más de 100 qubits y circuitos profundos se llamó en su momento el "desafío 100x100". Pero el número preciso de qubits y la profundidad de cada uno importa menos que aprovechar el poder de la combinación. Imagina lo que es posible con 5.000 circuitos cuánticos en un solo cómputo. Los usuarios pueden ejecutar circuitos cuánticos con una complejidad y tiempo de ejecución que supera las capacidades de las mejores computadoras clásicas actuales. Nos entusiasma ver qué construirá la comunidad cuántica para ayudarnos a aprovechar el poder de lo cuántico y resolver problemas importantes.

Supercomputadoras centradas en lo cuántico

Ir más allá de los procesadores de un solo chip es la clave para resolver problemas a escala. En 2024, presentamos Crossbill, el primer procesador individual fabricado a partir de múltiples chips. Estos son los primeros pasos para inaugurar una nueva era de escalabilidad, proporcionando un camino claro hacia los 100.000 qubits y más con la supercomputación centrada en lo cuántico. Esta es una arquitectura de computación modular que permite la escalabilidad. Combina comunicación y computación cuántica para aumentar la capacidad computacional, mientras emplea middleware de nube híbrida para integrar de manera fluida los flujos de trabajo cuánticos y clásicos.

Resolver los problemas más complejos del mundo requerirá una combinación de recursos clásicos y cuánticos. Además, dependerá de la continua colaboración entre la industria y la academia.

Puntos clave

Puedes tener en cuenta estos puntos clave:

• Las computadoras cuánticas actuales no son tolerantes a fallos.
• El Quantum Volume es una medida holística de qué tan buena es una computadora cuántica. Cuanto mayor sea el Quantum Volume, mejor. Hablar solo del número de qubits es engañoso.
• Para medir el rendimiento de las computadoras cuánticas, existen cuatro métricas clave: escala, calidad, velocidad y fidelidad de capa.
• Un experimento conjunto de IBM Quantum y UC Berkeley presentó evidencia de que las computadoras cuánticas de IBM ofrecen resultados confiables y precisos para desafiantes problemas de simulación a una escala de 127 qubits.
• La supercomputación centrada en lo cuántico significa tratar lo cuántico como una pieza de un paradigma de HPC más amplio, donde lo clásico y lo cuántico funcionan como una única unidad computacional.