Goldeneye, una supernevera para los sistemas cuánticos de IBM

Muchos proveedores (Google, Honeywell, IBM, etc.) pululan desde hace meses con proyectos en el campo de la computación cuántica. Pero el objetivo no es solo impulsar aún más las capacidades en términos de qubits: también es necesario contar con un sistema de refrigeración lo suficientemente eficiente para mantener el ordenador en condiciones operativas estables. Este tema es central ya que sin refrigeración es imposible ejecutar un sistema cuántico como debería. Al igual que otros, los científicos de IBM investigaron el problema y trabajaron durante más de dos años en un sistema de enfriamiento criogénico único. Como parte de este proyecto llamado “Goldeneye” se ha logrado un objetivo. De hecho, el equipo de investigación ha anunciado que ha logrado alcanzar una temperatura de funcionamiento de aproximadamente -25 milikelvin, o -273,125 °C. Un valor cercano al cero absoluto (0 kelvin) y su famosa barrera de -273,15°C.

Por el momento, es solo un rendimiento de laboratorio, no en condiciones reales de uso por lo tanto, pero la promesa parece fuerte. En los próximos meses, los equipos de IBM se trasladarán al centro cuántico del grupo en Poughkeepsie, Nueva York, para continuar con su trabajo. El equipo explorará sistemas criogénicos a gran escala para desarrollar mejor las necesidades de refrigeración de los centros de datos cuánticos del mañana, como la plataforma Bluefors Kide que se está desarrollando para su uso con IBM Quantum System Two. . En su publicación de blog, Big Blue explica que los refrigeradores de dilución son dispositivos criogénicos experimentales que enfrían un volumen de espacio a una tasa de mili-Kelvin (mK), usando una mezcla de dos isótopos de helio, llamados helio-3 (He-3) y helio-4 (He-4). Los refrigeradores de dilución logran este enfriamiento utilizando una serie de pasos para eliminar el calor de la mezcla de isótopos de helio, luego usan bombas de vacío para hacer circular y diluir el He-3 en la mezcla de He-3/He. -4 hasta que se alcance una temperatura objetivo. “Hasta hace poco, todos los refrigeradores de dilución eran sistemas húmedos, que requerían sustancias ya frías como nitrógeno líquido y otros fluidos criogénicos para comenzar a enfriar”, explica el grupo. "Los refrigeradores de hoy en día suelen estar secos y utilizan un componente mecánico llamado crioenfriador para proporcionar las temperaturas iniciales de 50K y 4K para preenfriar la mezcla de helio".

Pat Gumann, Gerente Técnico del Proyecto Goldeneye de IBM Research, ajusta la parte inferior del Refrigerador de Dilución más grande que cualquiera disponible comercialmente en la actualidad. (Crédito: Connie Zhou para IBM)

Capacidad para hasta seis refrigeradores de dilución individuales

La "súper nevera" de IBM es capaz de enfriar un volumen de 1,7 metros cúbicos, mucho más que los modelos anteriores que van desde 0,4 a 0,7 metros cúbicos. “El proyecto Goldeneye presenta una construcción completamente nueva del marco y el criostato, el componente principal en forma de barril responsable del enfriamiento, para maximizar el volumen experimental al tiempo que reduce el ruido y logra las temperaturas necesarias para enfriar el hardware cuántico experimental”, también informa IBM. “El diseño es modular, lo que facilitó mucho la creación de prototipos, el montaje y el desmontaje para un equipo de cuatro ingenieros de IBM. Otros refrigeradores de gran dilución pueden requerir grúas más grandes y una docena o más de técnicos para armarlos y desarmarlos. El criostato también cuenta con un diseño de concha, lo que permite que la cámara de vacío externa se abra lateralmente y elimina la necesidad de quitar toda la cubierta exterior para acceder al hardware del interior. La mayoría de los refrigeradores de dilución que se usan hoy en día requieren un equipo de operadores para funcionar correctamente, pero el sistema completamente automatizado de Goldeneye incluye una grúa giratoria especialmente diseñada que algún día podría permitir que incluso una sola persona opere el refrigerador, que se puede monitorear de forma remota utilizando una visualización de código abierto. plataforma".

El interior del criostato ofrece la posibilidad de instalar un juego de 10 placas internas para montaje de componentes en su mitad superior e inferior: cinco unidades regulares en la parte superior y cinco unidades invertidas en la parte inferior. También puede contener hasta seis refrigeradores de dilución individuales, lo que permite que casi 10 mW proporcionen una potencia de enfriamiento de 100 mK y más de 24 W de potencia de enfriamiento a temperaturas de 4K. Finalmente, el peso del sistema completo (6,7 toneladas métricas) también ayuda a amortiguar las vibraciones, lo que reduce la necesidad de otras técnicas de amortiguación de uso común.

Interior del superrefrigerador experimental Goldeneye (izquierda) y del equipo Goldeneye de IBM Quantum (derecha). Crédito: IBM

Implementación de IBM Quantum System Two planificada para 2023

“Esta prueba demostró el rendimiento de Goldeneye a través de los ojos de un qubit al medir las frecuencias de los qubits y los tiempos de coherencia: cuánto tiempo pueden retener la información cuántica. Pudimos reproducir tiempos de coherencia de aproximadamente 450 microsegundos, similares a los medidos en otros sistemas comerciales de refrigeración por dilución. No observamos ninguna disminución en el rendimiento de qubit a pesar del entorno interno diferente y el volumen experimental mucho mayor. Y a pesar de su tamaño, Goldeneye es eficaz. Requiere menos espacio que los refrigeradores de dilución a gran escala actuales para acomodar una cantidad equivalente de hardware cuántico”, según IBM.

“Se necesitaría 10 veces el espacio del laboratorio para implementar hardware equivalente en los refrigeradores de última generación de hoy. No sabemos si los refrigeradores utilizados para enfriar las futuras computadoras cuánticas serán realmente tan grandes. IBM Quantum System Two, que implementaremos el próximo año, se realizará primero con la plataforma criogénica Kide de Bluefors, un sistema modular más pequeño que creemos que ya nos permitirá conectar varios procesadores hasta 2025. Sin embargo, el acceso a Goldeneye nos permitirá considerar muchas formas de escalar nuestros procesadores cuánticos incluso más allá de 2025, y nos ayudará a conceptualizar aún más la infraestructura criogénica de los centros de datos cuánticos del mañana”.