Hoy es la era de las ruidosas computadoras cuánticas de escala intermedia (Nisq). Estos pueden resolver problemas difíciles, pero se dice que son “ruidosos”, lo que significa que se requieren muchos qubits físicos para cada qubit lógico que se puede aplicar a la resolución de problemas. Esto dificulta que la industria demuestre una ventaja verdaderamente práctica que las computadoras cuánticas tienen sobre las arquitecturas clásicas de computación de alto rendimiento (HPC).
Algorithmiq recibió recientemente $ 4 millones en fondos iniciales para permitirle ofrecer lo que afirma que son “algoritmos cuánticos verdaderamente resistentes al ruido”. La empresa se centra en un área de aplicación específica, el descubrimiento de fármacos, y espera trabajar con las principales empresas farmacéuticas para desarrollar simulaciones moleculares que sean precisas a nivel cuántico.
Algorithmiq dice que tiene una estrategia única de usar computadoras estándar para “eliminar el ruido” de las computadoras cuánticas. Los algoritmos que está desarrollando ofrecen a los investigadores la capacidad de aumentar la velocidad de las simulaciones químicas en computadoras cuánticas en un factor de 100 veces en comparación con los puntos de referencia actuales de la industria.
Sabrina Maniscalco, cofundadora y directora ejecutiva de Algorithmiq y profesora de información cuántica, computación y lógica en la Universidad de Helsinki, ha estado estudiando computadoras cuánticas de ruido durante 20 años. “Mi principal campo de investigación es sobre la extracción de ruido”, dijo. “La información cuántica es muy frágil”.
En la experiencia de Maniscalco, la tolerancia total requiere avances tecnológicos en la fabricación y puede incluso requerir el descubrimiento de principios fundamentales porque la ciencia aún no existe. Pero ella dijo: “Podemos trabajar con dispositivos ruidosos. hay mucho que podemos hacer, pero tienes que ensuciarte las manos”.
El enfoque de Algorithmiq consiste en hacer un cambio de mentalidad. En lugar de esperar el surgimiento de la computación cuántica universal tolerante a fallas, Maniscalco dijo: “Buscamos qué tipos de algoritmos podemos desarrollar con ruidoso [quantum] dispositivos.”
Aprovechando al máximo el ruido
Para trabajar con dispositivos ruidosos, los algoritmos deben tener en cuenta la física cuántica para modelar y comprender lo que sucede en el sistema informático cuántico.
El área de aplicación objetivo de Algorithmiq es el descubrimiento de fármacos. La computación cuántica ofrece a los investigadores la posibilidad de simular moléculas con precisión a nivel cuántico, algo que no es posible en la computación clásica, ya que cada qubit puede mapearse en un electrón.
De acuerdo con un documento de antecedentes de computación cuántica de Microsoft, si un electrón tuviera 40 estados posibles, para modelar cada “estado” tendría 240 configuraciones, ya que cada posición puede tener o no tener un electrón. Almacenar el estado cuántico de los electrones en una memoria de computadora convencional requeriría más de 130 GB de memoria. A medida que aumenta el número de estados, la memoria requerida crece exponencialmente.
Esta es una de las limitaciones del uso de una arquitectura informática clásica para simulaciones de química cuántica. De acuerdo a América científicalas computadoras cuánticas ahora están en el punto donde pueden comenzar a modelar la energía y las propiedades de las moléculas pequeñas, como el hidruro de litio.
Temperatura ambiente
En noviembre de 2021, un consorcio liderado por Universal Quantum, una empresa derivada de la Universidad de Sussex, recibió una subvención de 7,5 millones de libras esterlinas del Industrial Strategy Challenge Fund de Innovate UK para construir una computadora cuántica escalable. Su objetivo es lograr un sistema de un millón de qubits.
Muchos de los sistemas informáticos cuánticos actuales se basan en el superenfriamiento hasta unos pocos grados por encima del cero absoluto para lograr qubits superconductores. Se requiere enfriar los componentes justo por encima del cero absoluto para construir los qubits superconductores que se codifican en un circuito. El circuito solo exhibe efectos cuánticos cuando se sobreenfría; de lo contrario, se comporta como un circuito eléctrico normal.
Significativamente, la tecnología cuántica de Universal, basada en el principio de una computadora cuántica de iones atrapados, puede operar a temperaturas mucho más normales. Al explicar por qué su tecnología no requiere sobreenfriamiento, el cofundador y científico jefe Winfied Hensinger dijo: “Es la naturaleza de la plataforma de hardware. El qubit es el átomo que exhibe efectos cuánticos. Los iones levitan sobre la superficie del chip, por lo que no es necesario enfriar el chip para hacer un qubit mejor”.
Así como un microprocesador puede funcionar a 150 W y funcionar a temperatura ambiente, la computadora cuántica que Universal Quantum está construyendo no debería requerir nada más de lo que se necesita en una sala de servidores existente para enfriarse.
El diseño también es más resistente al ruido, lo que introduce errores en la computación cuántica. Hensinger agregó: “En un qubit superconductor, el circuito está en el chip, por lo que es mucho más difícil aislarlo del entorno y, por lo tanto, es propenso a mucho más ruido. El ion está naturalmente mucho mejor aislado del medio ambiente, ya que simplemente levita sobre un chip”.
La razón clave por la que Hensinger y el equipo de Universal Quantum creen que están mejor posicionados para promover la escalabilidad de las computadoras cuánticas se debe a la potencia de enfriamiento de una nevera. Según Hensinger, el enfriamiento necesario para los qubits superconductores es muy difícil de escalar a un gran número de qubits.
Escala industrial
Otra startup, Quantum Motion, un spin-out del University College London (UCL), está buscando una forma de lograr la computación cuántica que pueda industrializarse. La compañía lidera un proyecto de tres años, Altnaharra, financiado por el Programa Nacional de Tecnologías Cuánticas (NQTP) de Investigación e Innovación del Reino Unido, que combina la experiencia en qubits basados en circuitos superconductores, iones atrapados y espines de silicio.
La compañía dice que está desarrollando arquitecturas de computación cuántica tolerantes a fallas. John Morton, cofundador de Quantum Motion y profesor de nanoelectrónica en UCL, dijo: “Para construir una computadora cuántica universal, debe escalar a millones de qubits”.
Pero debido a que compañías como IBM actualmente solo ejecutan sistemas de 127 qubits, algunos ven como una quimera la idea de una computación cuántica universal que comprenda millones de qubits físicos, construidos utilizando procesos existentes. En cambio, dijo Morton: “Estamos viendo cómo tomar un chip de silicio y hacer que exhiba propiedades cuánticas”.
En abril pasado, Quantum Motion e investigadores de la UCL pudieron aislar y medir el estado cuántico de un solo electrón (el qubit) en un transistor de silicio fabricado con un CMOS (Semiconductor de óxido de metal complementario) tecnología similar a la que se usa para hacer chips en los procesadores de computadoras.
En lugar de estar en un campus o universidad de alta tecnología, la compañía acaba de abrir su nuevo laboratorio justo al lado de Caledonian Road en Londres, rodeado por una urbanización, un parque comunitario y un gimnasio. Pero en este laboratorio, es capaz de bajar la temperatura de los componentes a un tono por encima del cero absoluto.
James Palles-Dimmock, director de operaciones de Quantum Motion, dijo: “Estamos trabajando con tecnología que es más fría que el espacio profundo y ampliando los límites de nuestro conocimiento para convertir la teoría cuántica en realidad. Nuestro enfoque es tomar los componentes básicos de la informática, el chip de silicio, y demostrar que es la forma más estable, confiable y escalable de fabricar chips de silicio cuántico en masa”.
La discusión que Computer Weekly tuvo con estas nuevas empresas muestra cuánto esfuerzo se está realizando para dar a la computación cuántica una clara ventaja sobre la HPC. Lo que queda claro de estas conversaciones es que estas empresas son todas muy diferentes. A diferencia de la computación clásica, que eligió la arquitectura del programa almacenado descrita por el matemático John von Neumann en la década de 1940, es poco probable que haya una arquitectura estándar de facto para la computación cuántica.