Quantinuum acaba de lanzar su ordenador cuántico de segunda generación, el sistema modelo H2 con una trampa de iones avanzada en forma de pista de carreras ovalada.
Al igual que los anteriores modelos de ordenador cuántico de Quantinuum -el H0, el H1 y el H1-2-, el nuevo sistema H2 utiliza un isótopo de iterbio para crear qubits para el cálculo e iones de bario para la refrigeración. Al igual que los modelos anteriores, también utiliza una arquitectura de iones atrapados en lo que se denomina un dispositivo acoplado de carga cuántica (QCCD).
En 2018, Quantinuum se convirtió en la primera empresa en utilizar el QCCD en un ordenador cuántico comercial. El diseño fue desarrollado hace más de veinte años por el Dr. David Wineland y su grupo del NIST. En 2012, el Dr. Wineland recibió el Premio Nobel de Física por la arquitectura QCCD y su capacidad para atrapar y manipular eficazmente átomos e iones.
El QCCD actual de Quantinuum realiza operaciones cuánticas moviendo unos cuantos iones a la vez a una de las cuatro zonas diferentes situadas en lugares estratégicos a lo largo de la pista oval. Además, estas zonas permiten realizar múltiples operaciones cuánticas en paralelo, lo que aumenta la velocidad y la eficacia del algoritmo.
La implementación del QCCD es difícil y extremadamente compleja, pero tras construir tres modelos de ordenadores cuánticos con diferentes versiones de la arquitectura, Quantinuum hace que parezca fácil. Sus desarrolladores han creado la combinación adecuada de software y hardware, además del backend necesario para ejecutar circuitos cuánticos complejos con gran fidelidad.
Quantinuum ha hecho una serie de importantes avances en computación cuántica en los últimos años. Muchas de esas mejoras pueden atribuirse a la adaptabilidad y alta fidelidad que ofrece la arquitectura QCCD y, por supuesto, a la astucia de los científicos de Quantinuum.
La investigación sigilosa produce resultados inesperados
El anuncio de Quantinuum sobre el sistema H2 no fue su única novedad. Fue una sorpresa saber que Quantinuum también ha estado utilizando en secreto a su equipo de investigación alemán para realizar investigaciones topológicas sobre anyones no abelianos. Google también publicó un artículo en el que describía la creación de estados ordenados topológicos utilizando semiconductores poco después de que Quantinuum anunciara su descubrimiento. Hace poco Microsoft también anunció sus intenciones de construir un superordenador cuántico utilizando una forma de hardware de qubits topológicos Majorana.
Sólo cubro brevemente el anuncio aquí porque el tema es tan significativo que necesita un artículo completo dedicado a su explicación.
La investigación sobre los qubits cuánticos topológicos comenzó a principios de la década de 1990, cuando Alexei Kitaev propuso utilizar unas cuasipartículas llamadas anyones para los qubits con el potencial de crear ordenadores cuánticos sin errores. A lo largo de los años, Google y Microsoft han investigado mucho sobre la topología cuántica, pero sólo con avances marginales.
Fueron la arquitectura y las características avanzadas del H2 las que hicieron posible que Quantinuum y sus socios crearan un estado topológico tal que sus propiedades pudieran controlarse en tiempo real. Los investigadores pudieron así demostrar la creación, el trenzado y la medición de anyones no abelianos. Los resultados de la investigación se encuentran aquí.
Tuve la oportunidad de hablar de la investigación con el Dr. Rajeeb Hazra, director general de Quantinuum. Antes de incorporarse a Quantinuum, el Dr. Hazra ocupó diversos cargos directivos en Micron Technology. Y antes de Micron, pasó 25 años en Intel Corporation, donde dirigió una gran organización formada por varios grupos tecnológicos importantes.
"Todo este descubrimiento topológico no se habría producido si no fuéramos una empresa integrada", afirmó. "Tuvimos que hacer cambios, no sólo en el hardware H2, sino también en el sistema operativo y en el software de control. Pero la razón por la que todo se pudo cambiar es porque tenemos la pila completa. Imagínese si intentara hacer esto con una máquina IBM, aunque tuviera la capacidad. A veces te ves limitado por las cosas que no puedes cambiar y ésa no es la mejor manera de investigar sin trabas".
Benchmarking
Cada vez que Quantinuum construye un nuevo modelo o hace un nuevo anuncio, siempre ejecuta una exhaustiva batería de pruebas y publica los resultados para validar sus afirmaciones. Esa ha sido una política de larga data de Toney Uttley, que ha sido presidente y director de operaciones de Quantinuum desde que se formó inicialmente como una unidad de negocio de Honeywell en 2018.
Esta vez, el H2 fue sometido a algo más que la evaluación comparativa habitual de Quantinuum. Las pruebas del H2 fueron tan exhaustivas que Quantinuum apodó al nuevo modelo como "el ordenador cuántico con más pruebas comparativas del mundo".
En mayo, asistí a una reunión en los laboratorios de Quantinuum en Boulder, Colorado, donde el Dr. David Hayes, director senior de arquitectura y teoría, hizo una presentación en profundidad sobre las exhaustivas pruebas comparativas algorítmicas, de componentes y de sistemas realizadas en el H2. He aquí un breve resumen de esas pruebas.
El rendimiento a nivel de sistema del H2 se evaluó mediante pruebas comparativas de espejo, pruebas comparativas de entropía cruzada lineal, volumen cuántico y la creación de entrelazamiento de 32 qubits en un estado Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).
Los puntos de referencia de las aplicaciones consistían en algoritmos bien conocidos para que terceros pudieran hacer comparaciones fácilmente entre el H2 y otros ordenadores cuánticos. Estas aplicaciones incluían la simulación hamiltoniana, pruebas del algoritmo de optimización cuántica aproximada (QAOA), corrección de errores en un código de repetición y simulaciones dinámicas utilizando la reutilización de qubits.
Le pregunté a la Dra. Hayes por qué no se había considerado el Bernstein-Vazirani (BV) como uno de los puntos de referencia, ya que se había utilizado en varios estudios de referencia de otras aplicaciones. El Dr. Hayes dijo que BV era demasiado fácil de "jugar" y que la empresa quería asegurarse de que el sistema se probaba adecuadamente.
La evaluación comparativa de componentes se realizó con la evaluación comparativa aleatoria (RB) para estimar las tasas de error de las operaciones de los componentes en los circuitos cuánticos. La RB funciona creando repetidamente una puerta y midiendo su estado después de cada operación para estimar la tasa de error del componente. La RB se utilizó para medir la tasa de error de H2 para puertas de un solo qubit, puertas de dos qubits, mediciones, memoria y errores de diafonía.
Benchmarking insights
Tony Uttley cree que el H2 ha llevado a Quantinuum a una nueva fase de la informática cuántica. Estoy de acuerdo con él.
"Nuestra evaluación comparativa muestra que el H2 tiene las tasas de error más bajas del sector", afirmó. "Esas tasas de error se mantienen incluso cuando se intenta conectar qubits en lados opuestos de la máquina. Realmente está totalmente conectada. Todas esas cosas se suman siendo una receta para una precisión de vanguardia en las aplicaciones".
Suponiendo que los investigadores puedan mantener, o mejor aún mejorar, la fidelidad del H2 y crear soluciones viables para todos sus problemas conocidos, cuando el escalado vaya más allá de los 50 qubits aproximadamente, las futuras versiones del H2 tendrán muchas posibilidades de alcanzar la ventaja cuántica.
Más ideas
Mantuve una conversación con el Dr. Robert Niffenegger sobre los resultados de la evaluación comparativa del H2 y su nuevo diseño de pista de la trampa de iones QCCD. El Dr. Niffenegger es profesor adjunto de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Massachusetts, Amherst.
Su grupo está desarrollando actualmente el primer ordenador cuántico de iones atrapados de la universidad. Antes de incorporarse a la UMass, el Dr. Niffenegger fue postdoctorando en el Laboratorio Lincoln del MIT, donde trabajó en iones atrapados y fotónica integrada. Durante su estancia en el MIT, desarrolló nuevas técnicas de empaquetado fotónico y demostró el control fotónico total de un qubit de iones atrapados. También adquirió experiencia industrial en Intel, donde trabajó en el desarrollo del proceso Intel 4.
El Dr. Niffenegger afirmó: "El nuevo H2 de Quantinuum es la demostración más escalable de una trampa de iones hasta la fecha. Una arquitectura QCCD escalable ha sido el Santo Grial durante décadas, y han seguido ejecutando metódicamente pasos hacia sistemas cada vez más grandes sin comprometer el rendimiento. Y el H2 tiene espacio para crecer. Aunque no es una cuestión trivial seguir escalándolo, creo que tienen un camino por delante".
I
El H2 cuenta con 32 qubits de alta fidelidad, frente al recuento final de 20 qubits del H1-2. Hay que tener en cuenta que cada qubit añadido a un ordenador cuántico duplica su potencia. Los 12 qubits adicionales del H2 lo hacen exponencialmente más potente que el H1-2.
Además de aumentar el número de qubits, los científicos de Quantinuum también consiguieron reducir los recursos físicos asociados a cada qubit, y lo hicieron sin sacrificar ninguna de las ganancias de fidelidad de circuito anteriores. Su fidelidad de puerta de dos qubits es actualmente la mejor del sector.
El H2 también tiene una serie de características en común con las anteriores máquinas de la serie H de Quantinuum.
La conectividad qubit-todo es una característica importante que permite que cualquier qubit se enrede con cualquier otro qubit o con todos los qubits, una característica importante para la mecánica cuántica y para la ejecución de algoritmos.
La medición a mitad de circuito con lógica condicional permite que el resultado de la medición de un qubit controle la dirección de un cálculo. Desempeña un papel fundamental en la ejecución de muchos algoritmos cuánticos.
La reutilización de qubits permite el uso repetido de qubits en un cálculo. Su utilización reduce el número de qubits necesarios y aumenta la eficacia computacional.
El alto volumen cuántico es una característica distintiva del H2. El VQ del H2 es de 65.536, el doble que el VQ récord del H1, de 32.768, que se anunció justo una semana antes de que saliera a la venta el H2.
Diseño evolutivo de la trampa
Una de las características más interesantes de la H2 es su geometría de pista. Sin embargo, a lo largo de los años otros investigadores académicos han probado trampas de iones de geometrías similares. Aun así, el diseño operativo y la funcionalidad de la H2 pertenecen exclusivamente a los investigadores de Quantinuum. Cada parte de la trampa cumple una función específica. La trampa H2 crea un entorno muy controlado y altamente coordinado para almacenar, mover y realizar operaciones cuánticas en un solo ion o en pares de iones.
Además de proporcionar mayores fidelidades y más qubits, las tecnologías utilizadas en el nuevo diseño del QCCD ovalado contribuirán a futuros desarrollos como la corrección de errores. Según la hoja de ruta de Quantinuum, habrá futuras versiones de prueba del H2, además de otras tres generaciones completas que desembocarán en el H5 en 2030.
También es importante reconocer que los investigadores de Quantinuum han demostrado que los nuevos diseños de trampas de iones pueden aumentar el número de qubits sin sacrificar el rendimiento. Quantinuum lleva ya algún tiempo desarrollando la próxima generación de trampas de rejilla. Ya ha resuelto un importante problema de rejilla al permitir que los iones de iterbio y bario se muevan por las intersecciones de la rejilla juntos en lugar de por separado. La solución también permite que los iones hagan giros de 90 grados en la unión como pares sin inducir un movimiento excesivo de los iones.
Por qué son necesarias las trampas de iones con configuraciones de rejilla
El número de iones que se pueden colocar en un chip está limitado por el tamaño del mismo. Aumentar el número de qubits significa aumentar el número de chips modulares y unirlos entre sí, lo que forma uniones e intersecciones. Se espera que los chips se hagan más pequeños con el tiempo, lo que permitirá empaquetar más conexiones en un solo chip, y empaquetar más chips en un área más pequeña. Si observa los planes de Quantinuum para sus tres próximos diseños, podrá ver que la granularidad de las rejillas aumenta en cada diseño posterior.
Futuras mejoras del H2
Quantinuum ha recopilado una lista de cuestiones sin resolver que tiene previsto abordar para mejorar el rendimiento del H2. Entre ellas se incluyen el escalado adicional del QCCD, un mejor control de más electrodos y la mejora de la generación, el suministro y la detección de la luz láser.
El QCCD utiliza una operación especial de lanzadera para mover lotes de iones a diferentes zonas trampa. Es necesario un diseño mejorado porque el proceso de lanzadera es lento y consume un gran porcentaje del tiempo del circuito. Creo que ésta será probablemente una de las mejoras más prioritarias de Quantinuum.
Los resultados de la evaluación comparativa también pueden servir para descubrir los puntos débiles de un sistema. En el caso del H2, se determinó que la principal fuente de errores residía en sus puertas de dos qubits. Eso sí, no es raro que los errores sean más frecuentes en las compuertas de dos qubits que en las de un solo qubit. Entrelazar qubits para hacer compuertas de dos qubits es una operación intrincada y delicada, lo que la hace más vulnerable a los errores inducidos por el ruido. Sin embargo, los investigadores se esfuerzan constantemente por minimizar los errores, independientemente de su origen, y estoy seguro de que los investigadores de Quantinuum están trabajando duro para mejorar el rendimiento de las compuertas de dos qubits.
El Dr. Niffenegger también aportó algunas ideas sobre el trabajo de investigación publicado por los desarrolladores de Quantinuum que contiene los procedimientos y resultados de la prueba comparativa, además de otros datos sobre el H2. "Es impresionante que el equipo de Quantinuum haya proporcionado una tabla tan completa de los presupuestos de temporización de varios algoritmos", dijo. "Demuestra lo cuidadosamente que están priorizando las diversas opciones de diseño para su próxima generación. Verdaderamente es un proceso de desarrollo completo con cada chip. En conjunto, es un plan notable".
Conclusión
Quantinuum ha publicado amplios datos de pruebas sobre el H2, junto con abundante información sobre plazos, requisitos y limitaciones para posibles versiones futuras. La documentación es lo suficientemente exhaustiva y minuciosa como para dar la impresión de que, siguiendo los pasos de Quantinuum, podría ser posible duplicar el H2. Sin embargo, construir otro H2 partiendo de cero sería muy difícil sin el conocimiento acumulado tras experimentar los éxitos y fracasos previos de la experimentación paso a paso que supuso su desarrollo.
La investigación sobre el anyón topológico no abeliano de Quantinuum fue posible gracias a las avanzadas características del H2, su alta fidelidad y su control de precisión, además de una de sus primeras características diferenciadoras: la medición en mitad del circuito de la que hemos hablado antes.
Quantinuum tiene ahora dos vías de investigación que seguir: la vía cuántica y la vía topológica. Aunque la investigación topológica y cuántica pueden cohabitar dentro de la construcción física y cuántica del H2, cualquier utilidad del anyón no abeliano está probablemente a muchos años vista. Por otro lado, los iones atrapados están en vías de alcanzar la ventaja cuántica en tan sólo unos años.
Y lo que es más importante, ambas tecnologías tienen el potencial de lograr el verdadero Santo Grial de la informática cuántica: la tolerancia a fallos.