IBM mejora el rendimiento cuántico amortiguando el ruido

La mitigación de errores para las computadoras cuánticas podría conducir en última instancia a sistemas más confiables y útiles, dice IBM. El fabricante demostró recientemente cómo su tecnología de manejo de errores permitió que una computadora cuántica superara el enfoque tradicional de una supercomputadora. La computación cuántica se destaca en la resolución de algunos problemas importantes que requieren un uso intensivo de datos, y se espera que las aplicaciones futuras avancen significativamente en áreas como la inteligencia artificial y el aprendizaje automático en industrias como la automotriz, las finanzas y la salud. Pero entre los desafíos que enfrentan los desarrolladores está el ruido (interacciones no deseadas que afectan el trabajo de los qbits) de los sistemas cuánticos actuales y los errores que generan.

“Los sistemas cuánticos actuales son inherentemente ruidosos y producen una cantidad significativa de errores que dificultan el rendimiento. Esto se debe a la naturaleza frágil de los bits cuánticos o qubits y las interrupciones en su entorno”, dijo IBM en un comunicado sobre sus últimos desarrollos cuánticos. Recuerda que el qubit es la unidad básica de una computadora cuántica para realizar un cálculo. Como explican los investigadores de AlgoLab Quantum de IQ, “aunque existen muchos mecanismos para aislar los qubits del entorno externo, en particular la presencia de un criostato, diferentes interacciones indeseables afectan a los qubits. durante la ejecución de un algoritmo y alterar el estado cuántico. Estas interacciones indeseables constituyen el “ruido” que caracteriza a la computadora cuántica actual. Algunas fuentes de ruido son sistemáticas y se deben, por ejemplo, a errores en la calibración de puertas cuánticas o a la medición de qubits. En otros casos, el ruido proviene de fenómenos aleatorios que provocan una pérdida de información, fenómeno denominado decoherencia. Recuerde que el estado de un qubit se describe mediante una superposición de los estados base (energía más baja) y (energía más alta). Cuando la pérdida de información implica un intercambio de energía con el entorno -típicamente una transición de estado a estado- se denomina relajación qubit. La pérdida de información también puede ocurrir sin que haya un intercambio de energía, hablamos entonces de un cambio de fase”.

Avances en la reducción de errores

IBM Quantum y la Universidad de California, Berkeley, dijeron esta semana que han desarrollado técnicas que muestran que "las computadoras cuánticas ruidosas podrán ofrecer valor antes de lo esperado, todo gracias a los avances en el hardware de IBM". Quantum y el desarrollo de nuevos métodos de mitigación de errores". Los investigadores publicaron un artículo en la revista Nature. "Los errores ocurren naturalmente en una computadora: el estado cuántico debe evolucionar según lo prescrito por el circuito cuántico que se está ejecutando. Sin embargo, el estado cuántico real y los bits cuánticos podrían evolucionar de manera diferente, causando errores de cálculo, debido a varias perturbaciones inevitables en el entorno externo o en el propio hardware, perturbaciones que llamamos ruido", dijeron los investigadores. "Pero los errores de bits cuánticos son más complejo que los errores de bit clásicos. el valor cero o uno del qubit puede cambiar, pero los qubits también vienen con una fase, algo así como una dirección a la que apuntan. Necesitamos encontrar una manera de manejar estos dos tipos de errores en cada nivel del sistema: mejorando nuestro control del propio hardware computacional y la creación de redundancia en el hardware para que, incluso si uno o unos pocos qubits fallan por error, aún podamos recuperar un valor preciso para nuestros cálculos.

El módulo de criostato de IBM ayuda a mitigar los errores de cálculo cuántico. (Crédito IBM)

Más recientemente, los investigadores de IBM compartieron un experimento que mostró que, al mitigar los errores, una computadora cuántica podía superar los enfoques de computación clásica convencionales. IBM usó su procesador cuántico Eagle de 127 qubits para generar grandes estados entrelazados que simulan la dinámica de espín en un modelo de material y predicen con precisión sus propiedades. Un equipo de científicos de UC Berkeley realizó las mismas simulaciones en supercomputadoras convencionales para verificar los resultados del procesador IBM Quantum Eagle.

A medida que aumentaba la escala y la complejidad del modelo, la computadora cuántica continuó produciendo resultados precisos utilizando técnicas avanzadas de mitigación de errores, incluso cuando los métodos computacionales clásicos finalmente fallaron. y no coincidía con el sistema IBM Quantum, dijeron los investigadores. "Esta es la primera vez que vemos que las computadoras cuánticas modelan con precisión un sistema físico en la naturaleza más allá de los enfoques clásicos convencionales", dijo Darío Gil, vicepresidente senior y director de IBM Research, en un comunicado. . “Para nosotros, este paso es importante para demostrar que las computadoras cuánticas actuales son explotables como herramientas científicas capaces de modelar problemas extremadamente difíciles, y quizás imposibles, para los sistemas clásicos, lo que indica que ahora estamos entrando en una nueva era de utilidad para la computación cuántica.

Clústeres de servidores de 127 qbits

El modelo computacional utilizado por IBM para explorar este trabajo es una faceta central de muchos algoritmos diseñados para dispositivos cuánticos a corto plazo. Y el gran tamaño de los circuitos (127 qubits que ejecutan 60 pasos de puerta cuántica) se encuentran entre los más largos y complejos realizados con éxito hasta la fecha, dijeron los investigadores. "Y con la certeza de que nuestros sistemas están comenzando a brindar una utilidad más allá de los métodos clásicos, podemos comenzar a transformar nuestra flota de computadoras cuánticas en una que consista únicamente en procesadores de 127 qubits o más", dijeron los investigadores. .

Como resultado de este estudio, Big Blue anunció que sus sistemas Quantum que se ejecutan tanto en la nube como en las instalaciones de los socios contarán con un mínimo de 127 qubits, que se completarán durante el próximo año. "Estos procesadores brindan acceso a una potencia de cómputo lo suficientemente grande como para superar los métodos clásicos para algunas aplicaciones y brindarán tiempos de coherencia mejorados, así como tasas de error más bajas en comparación con los sistemas cuánticos anteriores de IBM", dijeron los investigadores. "Tales capacidades se pueden combinar con técnicas de mitigación de errores en constante evolución para permitir que los sistemas Quantum alcancen un nuevo umbral para la industria, que IBM ha llamado 'la escalera de la utilidad', un punto en el que las computadoras cuánticas podrían servir como herramientas científicas para resolver una nueva escala de problemas que los sistemas clásicos nunca podrán resolver.

IBM continúa avanzando en la hoja de ruta cuántica que presentó el otoño pasado. Entre sus objetivos a largo plazo se encuentran el desarrollo de un sistema de más de 4000 qubit construido con grupos de procesadores cuánticos para 2025, y el desarrollo de software capaz de controlar sistemas cuánticos y conectarlos en red mientras elimina errores. En IBM Quantum Summit 2022, la compañía dijo que busca el desarrollo de una plataforma cuántica modular llamada System Two que combinará múltiples procesadores en un solo sistema y utilizará middleware de nube híbrida para integrar flujos de datos. trabajo cuántico y clásico.