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 se mide el rendimiento de la computación cuántica usando las métricas de escala, calidad y velocidad. Reconocer las métricas de benchmark de apoyo comúnmente utilizadas en toda la industria.

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 reúne el material educativo: 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.

IBM Quantum Compute Service (anteriormente Qiskit Runtime Service)

IBM Quantum Compute Service es una arquitectura portátil, segura y en contenedores que ejecuta programas cuánticos en una unidad de computación clásica estrechamente integrada con el procesador cuántico. Quantum Compute permite que la computadora cuántica se convierta en parte de cualquier entorno de computación para acelerar el cómputo —de forma similar a una unidad de procesamiento de gráficos (GPU)— y gestiona la orquestación de trabajos y la transferencia de datos a la unidad de procesamiento cuántico, maximizando la eficiencia.

Qiskit y Quantum Compute facilitan orquestar rápidamente programas a través de recursos de cómputo en la nube. IBM construye middleware para computación cuántica para 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 la caja de herramientas de circuit knitting 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 IBM Quantum Compute Service. 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 y tolerante a fallos sigue siendo uno de los grandes desafíos de la computación moderna. Las computadoras cuánticas actuales aún no son totalmente tolerantes a fallos, por lo que comprender su rendimiento requiere considerar múltiples factores más allá del simple número de qubits.

IBM Quantum caracteriza el rendimiento de la computación cuántica utilizando tres dimensiones fundamentales:

• Escala: medida por los qubits programables, los qubits que los usuarios pueden controlar directamente e incorporar en algoritmos cuánticos.

• Calidad: medida por las operaciones de qubit (QuOps), que indican cuántas de las operaciones computacionalmente más exigentes puede ejecutar de forma fiable una computadora cuántica antes de que los errores desborden el cálculo.

• Velocidad medida por el máximo de circuitos por segundo, que describe el rendimiento de circuitos de un sistema y la cantidad de cómputo útil que puede realizar a lo largo del tiempo.

Juntas, estas métricas proporcionan una visión general de la capacidad computacional, la escalabilidad y la eficiencia de una computadora cuántica en las distintas tecnologías de hardware y enfoques de implementación.

Además de estas métricas principales, se utilizan ampliamente en la industria una serie de métricas de benchmark de apoyo:

Comprueba tu comprensión

Verdadero o falso: el poder de una computadora cuántica está determinado por el número de qubits que tiene.

Respuesta

Falso. Si una computadora cuántica tiene muchos qubits, pero un throughput de circuitos bajo y mala calidad, entonces la información almacenada en cualquier número de qubits se degradará antes de que se puedan obtener resultados útiles. El poder de una computadora cuántica depende de la escala, la calidad y la velocidad.

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 evolucionó mediante el escalado 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, con el tiempo, 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 con corrección de 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 puertas cuánticas 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.

• Tres dimensiones principales para evaluar el rendimiento de la computación cuántica son: escala (qubits programables), calidad (operaciones de qubit) y velocidad (máximo de circuitos por segundo).

• Benchmarks adicionales como Quantum Volume, CLOPS y EPLG siguen siendo útiles para comprender características específicas del hardware y las cargas de trabajo.

• 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.