Entrevista con la Dra. Zaira Nazario (IBM): “La computación cuántica no va a sustituir a la tradicional, ambas se complementan”

La computación cuántica supone un cambio de paradigma sobre la computación tradicionalcon la que nos hemos familiarizado durante décadas y ha dado forma al mundo en el que vivimos. Emplea conceptos novedosos para la mayoría como son los qubits, los estados superpuestos o la mecánica cuántica. Para arrojar luz sobre lo que suponen los procesadores cuánticos como el reciente Eagle y ordenadores potenciados por esta clase de computación como el IBM System One, LA RAZÓN ha hablado con la doctora Zaira Nazario.

Zaira Nazario es la responsable técnica de teoría, algoritmos y aplicaciones cuánticas en IBM Quantum y gestiona la cartera global de I+D en esas áreas. Doctorada en física teórica de la materia condensada por la Universidad de Stanford, ha trabajado con Departamento de Estado de EE.UU y como consultora científica para DARPA e IARPA antes de entrar a forma parte de IBM. La entrevista se ha realizado vía correo electrónico.

Dra. Nazario, ¿qué es un qubit? ¿Qué significa que “almacena datos en forma cuántica”?

Un bit clásico contiene información como 0 o 1. Un bit cuántico o qubit es un objeto que se comporta de acuerdo a las leyes de la mecánica cuántica, con estados que se pueden usar para codificar información. Los estados de un qubit son superposiciones de 0 y 1, pero eso no es lo especial porque en general las superposiciones son clásicas, como las notas musicales en una melodía que son superposiciones de frecuencias diferentes. Lo que es especial es que cuando mides el estado del qubit obtienes un resultado aleatorio pero el estado del qubit está bien definido y eso es imposible clásicamente.

Además, los qubits se pueden entrelazar cuánticamente y el estado de qubits entrelazados contiene más información que el estado de los qubits individuales. Si miras los qubits individualmente ves resultados aleatorios y no sabes nada del sistema. Tienes que observar el sistema como un todo para revelar la información en él, porque hay información en esas correlaciones especiales entre los qubits que hacen el entrelazamiento. Eso es sumamente poderoso.

¿Cómo funciona un procesador cuántico como Eagle?

Un procesador clásico codifica información en 0s y 1s, y aplica puertas lógicas para procesar esa información. Un procesador cuántico codifica información en estados mecánico cuánticos entrelazados. El entrelazamiento cuántico es muy poderoso y hace que el estado entrelazado contenga más información que la colección de sus partes individualmente. Se aplican entonces puertas lógicas cuánticas, que son operaciones cuánticas que hacen que esos estados entrelazados evolucionen según las leyes de la mecánica cuántica y así procesan la información codificada en ellos.

¿Cómo se fabrica y qué componentes tiene? ¿Se utiliza el silicio como en los procesadores tradicionales?

El bit cuántico o qubit se fabrica usando lo que se llama una unión de Josephson, que es como un sándwich de un aislante entremedio de dos metales superconductores y que está conectado a un condensador eléctrico. En una unión de Josephson, puede haber una corriente eléctrica pasando como un túnel entre los dos superconductores, cruzando el aislante. Eso es lo que define los estados del qubit. Los qubits están fabricados en un sustrato de silicio.

Además tenemos resonadores que usamos para leer el estado de los qubits, porque la frecuencia del resonador cambia un poco dependiendo del estado del qubit.

Y el alambrado por donde enviamos las señales de microondas hasta los qubits que usamos para implementar operaciones en los qubits (las puertas lógicas cuánticas que cambian el estado de los qubits). Todo en sustratos de silicio.

Anteriormente los qubits, resonadores, y alambrado estaban todos en el mismo plano dos dimensional, con el alambrado yendo desde los qubits hasta la periferia del chip. Es entonces fácil ver que mientras más qubits tienes, más alambres hay que guiar por todo el plano del chip, hasta que eventualmente eso se hace imposible.

Para poder seguir escalando hay que poner los qubits en otro chip separado de los resonadores y alambrado que entonces quedan en lo que llamamos el “interposer”. El chip de los qubits está conectado al “interposer” a través de “bump bonds”. El alambrado está en un plano “enterrado” bajo el plano de los resonadores, conectando todo a los qubits a través de “vías” que van a través de los planos. Eso provee una flexibilidad grande para llevar señales eficientemente al plano de los qubits porque las llevas desde abajo explotando la tercera dimensión, lo cual tiene la ventaja de reducir errores de “crosstalk” en los qubits porque los qubits están más protegidos en su plano separado.

Esa estructura tres dimensional de planos separados—cada uno con sus componentes—conectados por vías es esencial para escalar el tamaño de los procesadores cuánticos.

¿Es posible usar el recientemente anunciado procesador Eagle a través de IBM Cloud como sucede con IBM Quantum System One?

Sí, Eagle está en funcionamiento actualmente en el sistema cuántico ibmq_washington. Estará disponible para los clientes premium de IBM Quantum antes de fin de este año.

¿Por qué es importante haber superado la barrera de los 100 qubits con el procesador Eagle?

100 qubits todos entrelazados cuánticamente no se puede simular con una computadora cuántica porque eso requería 2^100 bits. Ese es un número enorme. No existe supercomputadora clásica alguna con esa capacidad. Así que entramos a un mundo donde no puedes predecir como evoluciona ese estado de 100 qubits entrelazados, para saberlo tienes que correr los circuitos cuánticos en una computadora cuántica.

El IBM Quantum System One tiene una arquitectura híbrida, ¿qué hardware utiliza este sistema además del procesador cuántico?

Además del procesador cuántico, una parte importantísima de un sistema cuántico es la electrónica clásica que se necesita para generar las microondas que usamos para controlar los qubits, y la electrónica necesaria para medir los qubits y procesar la información. Todo esto está integrado en el IBM Quantum System One.

¿Qué papel juega la informática tradicional en IBM Quantum System One?

La informática tradicional juega un papel fundamental en cualquier sistema de computación cuántica, no solo IBM Quantum System One. La usas para definir los problemas que quieres resolver y entrar la “data”. La usas para procesar la información que lees luego de ejecutar los circuitos cuánticos en procesadores cuánticos. La usas en algoritmos heurísticos que combinan computaciones clásicas y cuánticas. La usas para mitigar errores en el resultado obtenido de circuitos cuánticos. Y esos son solo unos ejemplos.

Es muy llamativo el “roadmap” de IBM y la rapidez con la que aumenta el número de qubits en un procesador cada año. ¿Cómo es posible una evolución tan rápida y cuando se prevé alcanzar el objetivo de un millón de qubits?

Esa evolución tan rápida es el producto de un esfuerzo y trabajo inmenso de parte de un grupo grande de investigadores. Es una tarea muy difícil y muchas cosas tienen que salir bien. Los números de qubits en los procesadores en el “roadmap” de IBM se escogieron porque son los números en los que pensamos que necesitamos desarrollar innovaciones para continuar escalando.

Por ejemplo, cuando introducimos Falcon con 27 qubits hace dos años, necesitamos mejorar el rendimiento de los chips y resolver el problema de que la energía de operación de un qubit podía “chocar” con la energía de operación de otro qubit y arruinar las computaciones que se hacen en los qubits. Eso se arregló cambiando la topología de los qubits a un mosaico de hexágonos.

Con Hummingbird—65 qubits—el año pasado resolvimos la necesidad de reducir el número de cables que van al refrigerados que contiene los qubits, lo cual es necesario para seguir aumentando el número de qubits. Eso se logró con “multiplexing”, donde usamos un solo cable para medir 8 qubits.

Este año con Eagle resolvimos el problema de empaquetamiento al introducir la estructura tres dimensional que describimos anteriormente y que nos da flexibilidad enviando las señales de microondas a más qubits.

Para aumentar el número de qubits a Osprey con más de 400 qubits tenemos ahora el reto de encontrar una manera más eficiente, compacta y escalable de enviar señales dentro del refrigerador, desde el exterior que está a temperatura de ambiente, hasta las temperaturas tan frías dentro del refrigerador donde están los qubits. Eso es lo que resolveremos en Osprey, que lanzaremos el año que viene 2022. Cada procesador usa las innovaciones del procesador anterior, por supuesto.

¿Cuántos IBM System One hay instalados en la actualidad?

Actualmente hay 3 IBM Quantum System One, uno en New York, uno en Alemania y uno en Japón. Hay planes de instalar dos más, uno en Cleveland Clinic y otro en Corea del Sur.

¿Qué uso se le está dando ahora por parte de empresas e investigadores?

Empresas e investigadores están usando estos sistemas para explorar algoritmos y aplicaciones cuánticas relevantes a sus operaciones de negocio o investigaciones. Exploran el potencial para aplicaciones puramente científicas y para aplicaciones industriales como lo son el desarrollo de materiales nuevos, mejoras a métodos de aprendizaje automático, procesos energéticos más eficientes, análisis de riesgo, finanzas y más.

Los están usando para aprender como desarrollar métodos mejores de compilación de circuitos cuánticos y mitigación de errores, y para aprender de computación cuántica en general y su potencial, y entrenar su fuerza laboral en el campo de la computación cuántica.

¿Qué sistema operativo, si es aplicable el término en este caso, o software emplea un ordenador cuántico?

Igual que necesitas un lenguaje ensamblador en las computadoras tradicionales, necesitas un lenguaje ensamblador cuántico que traduzca los circuitos cuánticos a los pulsos de microondas que se le aplican a los qubits y que controle la planificación de instrucciones. En nuestras computadoras cuánticas es QASM. Además, necesitas software a un nivel más alto para poder comunicarte con las computadoras cuánticas y extraer su beneficio. Eso es Qiskit, nuestro kit de desarrollo de software que ofrece las herramientas necesarias para desarrollar circuitos cuánticos, algoritmos y aplicaciones. Qiskit contiene herramientas a niveles de abstracción diferentes para satisfacer las necesidades de los tipos distintos de desarrolladores.

¿Cuándo llegará IBM Q System Two?

Nuestro plan es lanzar IBM System Two en el 2023.

¿Por qué la apuesta de IBM por la computación cuántica?

La realidad es que el mundo enfrenta problemas cada vez más difíciles y con más urgencia, problemas que por su naturaleza requieren una cantidad de recursos computaciones que crece exponencialmente con el tamaño del problema. Esos problemas se vuelven cada vez más importantes para las empresas y la sociedad en general. No podemos resolverlos con la computación tradicional, necesitamos herramientas mucho más poderosas. La computación cuántica es una de esas herramientas. Su potencial para transformar nuestro entorno es enorme, desde ayudar con el desarrollo de materiales más sustentables y energía más eficiente, hasta mejorar procesos de aprendizaje automático y resolver problemas en las ciencias naturales. Esos son avances que tendrían un impacto social y económico muy grande y beneficioso. Es por eso que en IBM estamos tan firmemente comprometidos con el desarrollo de la computación cuántica.

¿Qué futuro nos traerá este cambio en lo que ha sido el paradigma de la computación durante décadas?

Hemos visto avances sumamente impresionantes por más de medio centenar de años. Todas ellas han seguido el mismo paradigma de computación. Esta es la primera en la historia de la computación en la que vemos una bifurcación con dos paradigmas completamente diferentes, el cuántico y el clásico. Este nuevo paradigma de computación—la computación cuántica—tiene el potencial cambiar la ecuación entre lo posible y lo imposible resolviendo problemas imposibles incluso para las supercomputadoras más poderosas. Integrará con la inteligencia artificial y la computación convencional para traernos el potencial de beneficios en “workflows” computacionales que están al centro de las ciencias y las operaciones de empresas. Podría ser un futuro en el que no tengamos que depender de experimentos costosos y lentos, o de estimados y aproximaciones en la solución de problemas computacionales muy difíciles, para resolver problemas sino que contemos con un paradigma de computación tan poderoso como complejos los problemas que necesitamos atacar.

Algunos de esos problemas envuelven encontrar materiales sustentables, o materiales resistentes a condiciones ambientales extremas, energía más eficiente, entender y desarrollar mejores procesos de catálisis, poder hacer análisis de riesgo más precisamente o ayudarnos a resolver ecuaciones diferenciales complejas importantes para una gran variedad de procesos y problemas en muchas disciplinas.

¿Se contempla que la computación cuántica, dadas las condiciones que requiere para operar, pueda llegar en el futuro a la informática de consumo y sustituya a la tradicional?

Esperamos que la computación cuántica llegue en el futuro a ser adoptada y consumida ampliamente como servicios cuánticos a través de la nube, “Quantum Services” o “Quantum as a Service”. Ahora, no va a sustituir a la computación tradicional. Ambas se complementan. La computación tradicional resuelve muchos problemas mejor que la cuántica, mientras que la computación cuántica es buena para problemas muy específicos. Además, como ya describimos, la computación cuántica necesita de la computación tradicional, no solo porque la “data” que entra y sale es clásica, sino porque los códigos de corrección de errores cuánticos requieren computación tradicional.