Así es el ordenador cuántico de 49 Qubits de Intel por dentro
En los últimos meses, términos como IA o Quantum Computing han ido saliendo de los laboratorios y centros de investigación y calando entre la opinión pública de un modo mediático y efectivo. Términos técnicos como Machine Learning o Deep Learning se manejan de un modo casi podríamos decir que común en círculos no especializados. Y lo mismo empieza a suceder con los ordenadores cuánticos.
La computación cuántica no es realmente tan reciente. Ya en los años 50 físicos como Richard Feynman hablaron del potencial de la computación cuántica. En los años 80 se afianzó esta tendencia y en 2011 se empezaron a ver los primeros desarrollos tangibles de ordenadores cuánticos, aunque no sería hasta 2015 cuando se empezaron a construir los primeros ordenadores cuánticos funcionales para empezar a desarrollar una plataforma computacional estable y programable.
Intel y QuTech
Precisamente fue en 2015 cuando Intel anunció su intención de invertir 50 millones de dólares en QuTech, el instituto de investigación cuántica dentro de la Delft University of Technology (TU Delft) y TNO. El acuerdo de colaboración es por un periodo de 10 años, y el objetivo es el de sentar las bases de un paradigma computacional capaz de resolver problemas que, con la tecnología actual serían imposibles de resolver.
Los avances en este campo, por mucho que ya haya anuncios sobre ordenadores cuánticos con 17 o 49 qubits (un qubit es la unidad operacional básica de un ordenador cuántico), son lentos. Y la visita a los laboratorios de la Universidad de Delft que hemos tenido la ocasión de realizar, deja claro que no habrá un ordenador cuántico comercial como tal en muchos años. Pero también deja claro que estamos ante una tecnología extremadamente interesante y en la que hay excelentes profesionales trabajando para solventar los retos que la computación cuántica plantea.
En los laboratorios tuvimos como guías a Lieven Vandersypen, uno de los investigadores más relevantes en computación cuántica del momento, y a James Clarke, Director of Quantum Hardware en Intel. Con ellos tuvimos la ocasión de conversar media hora, antes de hacer un tour de otra media hora por los laboratorios propiamente dichos.
¿Qué es un computador cuántico?
Básicamente esa es la pregunta del millón. Con los ordenadores clásicos tenemos bits, bytes, megas, programas, desarrolladores, algoritmos, procesadores, memoria, tarjetas gráficas, almacenamiento. Hablamos de ceros y unos como si realmente tuviéramos ceros y unos moviéndose grácilmente dentro de los chips de silicio que funcionan a varios gigahercios de “velocidad". Podemos escribir un programa de ordenador básicamente moviendo “cajas" y conectándolas en entornos de desarrollo visuales como Scratch. Hemos conseguido abstraer la parte física que subyace a todos estos conceptos de alto nivel. Porque un uno y un cero no son tales: son niveles de voltaje. Y las cajas de código que movemos y conectamos en Scratch, en un procesador se traducen en operaciones matemáticas que siguen la lógica de Boole.
En los primeros tiempos de la informática que conocemos, los ordenadores no se programaban con lenguajes de programación, los valores de los registros binarios se cargaban mediante tarjetas perforadas. Y los resultados de las operaciones no aparecían en una pantalla, sino que tenían que ser leídos directamente a partir de los registros binarios en el propio ordenador.
En la computación cuántica se está un poco como en esos primeros tiempos de la informática clásica. Pero aquí no tenemos valores de voltajes para los registros binarios, sino estados cuánticos que “suceden" en los qubits. Esos qubits no se caracterizan por su voltaje como en los ordenadores binarios, sino por su estado cuántico asociado a propiedades tales como el spin de un electrón.
Además, en un ordenador binario estamos limitados a trabajar con un número de bits que ha ido pasando de 8 a 16, de 16 a 32 y de 32 a 64 bits En un ordenador binario de “n" bits se opera con “n" bits a la vez, pero en un ordenador cuántico de “n" qubits tenemos 2 elevado a n estados con los que se pueden realizar operaciones “cuánticas" en el proceso de ejecución de un algoritmo en un ordenador cuántico.
Es decir, en un ordenador cuántico se trabaja con conceptos, algoritmos y tecnologías completamente diferentes a los que se usan en un ordenador binario. Propiedades de la mecánica cuántica como superposición, entrelazamiento e interferencia se usan en un ordenador cuántico para manejar los estados de los qubits y recrear las operaciones necesarias para procesar algoritmos. Actualmente, un aspecto especialmente relevante en el que se está trabajando en el laboratorio de Delft es en la corrección de errores. Sin un sistema que sea capaz de corregir errores derivados de la naturaleza de los estados cuánticos, poco se podrá avanzar en este campo.
En la computación binaria tradicional, los sistemas de corrección de errores están integrados en la arquitectura de los procesadores y los sistemas de comunicaciones, incluyendo las conexiones de Internet. Y sin ellos no serían posibles ni los ordenadores, ni Internet ni las comunicaciones móviles.
Temperaturas más bajas que en el espacio
De momento, los ordenadores cuánticos con los que se trabaja en los laboratorios de Delft manejan un máximo de 49 qubits. Es un número suficiente como para que, en teoría, pueda superar en capacidad de resolución de problemas a los superordenadores más potentes del momento. La complicación estriba en las condiciones que se necesitan para que los qubits funcionen de un modo suficientemente predecible. Así, la temperatura tiene que ser extremadamente baja para evitar que la energía térmica haga que los qubits cambien de estadio espontáneamente.
La forma de “controlar" a los qubits es a través de microondas. Con frecuencias específicas, se pueden “inyectar" los estados en los qubits de modo que a través de los algoritmos adecuados y usando las propiedades de superposición, entrelazamiento e interferencia, se puedan resolver problemas complejos en los que hay que hay que manejar magnitudes exponenciales.
En un procesador cuántico como los que usa Intel en los laboratorios de Delft, la parte visible son decenas de conectores coaxiales a través de los cuales se inyectan las microondas que hacen que los qubits se “programen" en un estado inicial. A diferencia de un ordenador binario, en un ordenador cuántico se opera con 2 elevado a n estados al mismo tiempo, De este modo, problemas como el de factorizar números, que en un ordenador binario pueden tardar en solucionarse millones de años, en un ordenador cuántico puede tardar segundos en resolverse.
En un momento del proceso de resolución de un problema, se necesita “leer" es estado de los qubits. Una operación delicada en la que intervienen cálculos de probabilidades y en la que hay que manejar un parámetro delicado: la decoherencia cuántica. Los estados cuánticos no se mantienen más que por un periodo de tiempo dado, y es el que se tiene para realizar operaciones con los qubits.
Cómo es un ordenador cuántico por dentro
En un ordenador cuántico no tenemos memoria, ni disco duro. Tan sólo tenemos un procesador al que se hacen llegar las señales de microondas necesarias para gestionar los estados de los qubits. El receptáculo donde se enfría al procesador es el componente más llamativo y está compuesto por diferentes niveles de enfriamiento hasta llegar a la zona donde trabaja el procesador. En la visita a la Universidad de Delft pudimos ver las "tripas" de un ordenador cuántico, y es completamente diferente a los ordenadores de ahora.
El cero absoluto está en los -273,15 grados centígrados que son 0 grados Kelvin. Este ordenador cuántico trabaja a 20 milikelvin (unos -273 grados centígrados). El sistema de control está en una sala en el piso de arriba justo encima del laboratorio donde están los sistemas de refrigeración y el ordenador cuántico propiamente dicho. La sala de control está compuesta, básicamente, de generadores de señales de microondas y sistemas para “leer" el estado de los qubits, así como equipos de computación convencional para llevar cuenta de los resultados.
El sistema de control, a día de hoy consiste en equipos para generar las señales de microondas que llegarán a los qubits del chip cuántico, recreando estados cuánticos, así como sistemas para identificar (leer) los estados cuánticos. En el chip se usan los fundamentos de mecánica cuántica para gestionar los estados en los qubits, tales como superposición, interferencia y enlazamiento, para "ejecutar" los algoritmos capaces de obtener resultados relevantes al operar sobre el número exponencial de estados con los que se cuenta en un chip cuántico. Es una forma de paralelizar las operaciones de un modo extremo, comparado con la forma de trabajar de un ordenador binario.
En la foto vemos a James Clarke sosteniendo el chip cuántico de 49 qubits de Intel en el momento de "pincharlo" en la "placa base" del ordenador cuántico. Cada conector del chip lleva señales de microondas a los qbits, al tiempo que se cuenta también con sistemas para "leer" los estados. de los qubits.
Este "cilindro" se introduce en los sistemas de refrigeración extrema donde se alcanzan las temperaturas de 20 mili Kelvin. La temperatura disminuye por niveles hasta llegar al del chip donde es mínima.
En la práctica, un ordenador cuántico no tiene ni disco duro, ni memoria RAM, ni gráficos. Es un sistema puramente computacional en el que, de momento, no hay entornos de desarrollo, ni compiladores, ni lenguajes de programación. Parte del trabajo en Delft es miniaturizar los sistemas de control y generación de señal y ofrecer una plataforma completa en la que haya entornos de codificación de alto nivel que no precisen de una conversión manual de los datos de un problema computacional en frecuencias de microondas generadas por generadores de señal tan voluminosos y aparatosos como los actuales.
Todo el entorno de la foto anterior está dedicado a generar las señales de microondas que definen los estados de los qubits, los leen y definen los diferentes modos de interacción entre los qubits a través de interferencia, superposición y enlazamiento, de modo que haya un conjunto de operaciones cuánticas que permitan ejecutar algoritmos capaces de resolver problemas computacionales. En vez de lógica booleana, tenemos "lógica cuántica". Y en vez de operar secuencialmente sobre grupos de "n" bits, se opera en paralelo sobre 2 elevado a "n" estados. En el caso de los ordenadores binarios, "n" es típicamente 64, aludiendo al número de bits con los que se opera. En un ordenador cuántico, "n" es el número de qubits.
Este ordenador cuántico, en la actualidad, tiene, entre otras misiones, ser el escenario para encontrar métodos de corrección de errores que permitan trabajar con los qubits durante tiempos prolongados. Los estados cuánticos no se mantienen estables durante mucho tiempo. Si el estado se modifica durante la ejecución de un algoritmo, el resultado será erróneo.
De momento, hay un número limitado de algoritmos capaces de funcionar en un ordenador cuántico, pero los que hay, demuestran que el potencial de cálculo de este tipo de ordenadores es exponencialmente mayor que la capacidad de los ordenadores binarios clásicos.
Aún quedan muchos años de trabajo antes de que la computación cuántica impacte en nuestras vidas de un modo práctico. Pero los investigadores son optimistas acerca de la resolución de los retos a los que se enfrentan.
Hay aspectos que también mejoran con la computación cuántica. Así, un superordenador de ahora, tiene consumos energéticos del orden de los Mega Vatios. El computador cuántico de Delft, con 59 qubits, difícilmente emulables por uno de estos superordenadores, consume unos 10 Kilo Vatios. La reducción de consumo energético es notable.
La computación cuántica suma, no reemplaza La computación cuántica no está llamada a reemplazar a los ordenadores actuales. Todo lo contrario: la computación cuántica y la binaria o booleana están destinadas a entenderse y complementarse. Así, la computación cuántica puede verse como un recurso para acelerar ciertos algoritmos y cálculos concretos, que en computación clásica se tardaría millones de años en procesar y en computación cuántica se tarda minutos en procesar.
Las operaciones tienen lugar en el espacio de los estados exponenciales con los que se puede trabajar simultáneamente, siendo imposible realizar operaciones de copiado o almacenamiento. Hay estados cuánticos que se inducen y otros que se leen. El resultado son valores concretos y tangibles aptos para su uso en los sistemas de computación clásicos. La diferencia es que estos resultados tardaríamos millones de años en obtenerlos usando lógica binaria, y minutos usando "lógica cuántica".
Quantum Internet: El enlazamiento aplicado a las comunicaciones
Otro campo de investigación que tiene lugar en Delft, es el del Internet Cuántico. Se trata de aprovechar una de las propiedades de la mecánica cuántica que dice que si dos partículas están "enlazadas" cuánticamente, al modificar el estado de una, el estado de la otra cambiará también, independientemente de la distancia a la que se encuentren.
Es una propiedad que es real y tangible y que trasciende el razonamiento lógico, pero que puede usarse para definir canales de comunicaciones sin más que entrelazar partículas alejadas de modo que se puedan cambiar los estados para transmitir información. La ventaja es que estos canales de comunicación no se pueden piratear ni interceptar. De todos modos, de igual modo que sucede con los ordenadores cuánticos, aún queda mucho para que veamos usos prácticos y comerciales.
ENTREVISTA
James Clarke (Director of Quantum Hardware at Intel Corporation) y Lieven Vandersypen (professor e investigador de QuTech en la Universidad de Delft)
Pregunta: ¿Por qué es tan importante la computación cuántica?
James Clarke: Para algunas aplicaciones, quantum computing es exponencialmente mejor que la computación clásica. Por ejemplo, para algunas aplicaciones, como criptografía, un ordenador clásico puede tardar 1.000 millones de años en romper una clave criptográfica RSA. Un ordenador cuántico podría hacerlo en minutos. No es tanto velocidad de procesador, como trabajar en paralelo con cantidades masivas de datos aprovechando las propiedades de la mecánica cuántica. Se pueden resolver problemas enormes en tiempos muy cortos. Hay problemas que no se pueden resolver con la computación cuántica. Or ejemplo, en campos como la química cuántica, o el diseño de materiales.
P: ¿Ya se han resuelto problemas usando algoritmos cuánticos?
JC: Te daré un par de ejemplos. DE momento, los algoritmos que se manejan en ordenadores cuánticos son algoritmos de prueba. Hay pocos algoritmos probados que se sabe que pueden funcionar sobre un chip cuántico. De momento, los trabajos que se están haciendo son más de prueba que reales. Como paso intermedio, usamos simuladores. El super ordenador más grande del mundo es solo capaz de simular un procesador cuántico de 50 qubits.
P: ¿Cómo se programa un ordenador cuántico?
JC: Aquí tenemos un procesador cuántico. Pero en un ordenador tenemos más que el procesador: el control, la arquitectura, los algoritmos, el compilador. Intel está trabajando en todos estos elementos. La cuestión es esa: cómo se programa un ordenador. De momento no se sabe. Y es uno de los retos a la hora de construir un ordenador es esta visión holística.
P: ¿Qué retos hay que superar?
JC: Hay una parte teórica que hay que poner en práctica, pero hay otras que hay que resolver en la vida real. Por ejemplo, la corrección de errores. La parte del frío es clave. El entorno de trabajo de un ordenador cuántico es 250 veces más frío que el espacio exterior. Los qubits son frágiles. La parte del frío es una. La segunda es la corrección de errores. Ya tenemos procesadores suficientemente grandes como para probar técnicas reales de corrección de errores.
La corrección de errores resulta en qubits con una vida más prolongada, por lo que se pueden usar algoritmos más detallados. La clave está en lidiar con qubits frágiles a través del frío extremo y de la corrección de errores. El tratamiento adecuado de los errores tiene como resultado un tiempo efectivo mayor para trabajar con los estados cuánticos.
Quantum computing es muy parecida a computación en memoria. Pero la memoria es dinámica y no dura mucho tiempo. Hay que buscar métodos para proteger la información cuántica en el chip y así realizar más cálculos a través del uso de algoritmos adecuados para trabajar con procesadores cuánticos. El objetivo es tener un número suficiente de qubits con un tiempo de vida de los estados suficientemente prolongado como para poder hacer cálculos relevantes.
Para poder hablar de ordenadores cuánticos capaces de ser significativamente mejores que los ordenadores clásicos., necesitamos del orden de 1.000 qubits. Para trabajar con algoritmos más exigentes, hablamos del orden de millones de qubits. Un procesador clásico tiene del orden de entre 5.000 y 10.000 millones de transistores. Estamos a años vista de tener un ordenador cuántico capaz de ser exponencialmente relevante.
P: ¿Qué relación hay, si es que la hay, entre computación cuántica y la inteligencia artificial?
JC: En la actualidad hay varias tecnologías emergentes. La computación cuántica es una. La computación neuromórfica es otra e IA o ML son otras. Por separado, estas tecnologías son el futuro de la computación. Y todas ellas precisan de la Ley de Moore para progresar. A veces se piensa que la Ley de Moore está agotada y la computación cuántica es la respuesta, pero la realidad es que la computación cuántica necesita de la Ley de Moore para progresar. Intel está trabajando en todas ellas. Hay trabajo de investigación acerca de algoritmos de machine learning que pueden ser aplicados en sistemas cuánticos. Por lo pronto son áreas separadas, pero se trata de buscar puntos de conexión entre ellas.
P: ¿Se han hecho descubrimientos útiles para otras áreas de investigación a partir de los trabajos en computación cuántica?
Lieven Vandersypen: Sí, ha habido trabajos y experimentos que hemos hecho en bajas temperaturas que han tenido aplicación en otros campos de investigación diferentes de la computación cuántico. Por otro lado, en el área del control y medida, trabajamos con proveedores de equipos, pero a veces hemos tenido que desarrollar nuestros propios equipos, lo cual ha dado lugar a compañías derivadas.
JC: Es un proceso circular. Estamos aprendiendo mucho acerca de, por ejemplo, materiales. Y este conocimiento también lo aplicamos a los procesadores clásicos. Lieven Vandersypen: también hay progresos que llegan a la mecánica cuántica en aspectos como la frontera entre la computación cuántica y la clásica.
P: ¿Cómo funciona el procesador?
JC: Hay dos posibles formas de fabricar los qubits de un procesador cuántico. Usando superconductores o usando Silicio. Un chip superconductor es básicamente un circuito RF de alta calidad. Particularmente, un oscilador LC no lineal. Usamos microondas de 5 GHz con una elevada precisión en la manipulación de estas señales de microondas.
La otra forma de construir qubits es a través de Silicio. La tecnología es similar a un transistor: podríamos llamarla “transistor de un único electrón en un campo magnético". Al ser tan similares a transistores, esperamos ser capaces de usar nuestra experiencia fabricando chips de Silicio para liderar la fabricación de chips cuánticos.
Las ventajas de los chips cuánticos de Silicio, es, por ejemplo, la facilidad de fabricación. Y la posibilidad de integrar más qubits en un espacio pequeño. El tamaño es un millón de veces menor que la variante de superconductores. Además, se puede trabajar con temperaturas ligeramente mayores.
LV: Además, el tiempo de coherencia es unos tres órdenes de magnitud más prolongado que en caso de los qubits superconductores. De este modo, la ventana de tiempo para operar es mayor que con qubits superconductores.
P: ¿Cuándo podremos tener ordenadores cuánticos funcionando de un modo “normal"?
JC: Hablamos de 10 a 15 años. En el caso del transistor los primeros transistores datan de finales de los años cuarenta, el primer circuito integrado data de finales de los cincuenta, el primer microprocesador data de los años setenta. Los avances de la última década, tales como los transistores FinFET datan de años atrás.
En el caso de la computación cuántica, necesitamos paciencia. Por aventurar una fecha, podremos ver sistemas interesantes en cinco años, y diez años más para tener ordenadores cuánticos que impacten en nuestras vidas. Hay retos que no sabemos resolver todavía, pero somos optimistas.
Original en Xataka. Más información en Qtech y Quantum computing de Intel