La computación cuántica utiliza tecnología especializada, incluido el hardware informático y los algoritmos que aprovechan la mecánica cuántica, para resolver problemas complejos que los ordenadores clásicos o los superordenadores no pueden resolver, o no pueden resolver lo suficientemente rápido.
En la actualidad, IBM Quantum pone a disposición de cientos de miles de desarrolladores hardware cuántico real, una herramienta que los científicos sólo empezaron a imaginar hace tres décadas. Nuestros ingenieros ofrecen procesadores cuánticos superconductores cada vez más potentes a intervalos regulares, junto con avances cruciales en software y orquestación cuántica clásica. Este trabajo impulsa la velocidad y la capacidad de computación cuántica necesarias para cambiar el mundo.
Estas máquinas son muy diferentes de los ordenadores clásicos que han existido durante más de medio siglo. A continuación presentamos una introducción a esta tecnología transformadora.
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Cuando científicos e ingenieros se enfrentan a problemas difíciles, recurren a los superordenadores. Se trata de ordenadores clásicos muy grandes, a menudo con miles de núcleos de CPU y GPU clásicos capaces de ejecutar cálculos muy grandes e inteligencia artificial avanzada. Sin embargo, incluso los superordenadores son máquinas basadas en código binario que dependen de la tecnología de transistores del siglo XX. Luchan por resolver ciertos tipos de problemas.
Si un superordenador se queda perplejo, probablemente es porque a la gran máquina clásica se le pidió que resolviera un problema con un alto grado de complejidad. Cuando los ordenadores clásicos fallan, a menudo se debe a la complejidad.
Los problemas complejos son problemas con muchas variables que interactúan de forma complicada. Modelar el comportamiento de átomos individuales en una molécula es un problema complejo, debido a que todos los electrones diferentes interactúan entre sí. Identificar patrones sutiles de fraude en transacciones financieras o nueva física en un supercolisionador también son problemas complejos. Hay algunos problemas complejos que no sabemos cómo resolver con ordenadores clásicos a cualquier escala.
El mundo real funciona con física cuántica. Los ordenadores que realizan cálculos utilizando los estados cuánticos de los bits cuánticos deberían ser, en muchas situaciones, nuestras mejores herramientas para entenderlos.
Veamos un ejemplo que muestra cómo los ordenadores cuánticos pueden tener éxito donde los ordenadores clásicos fallan:
Un ordenador clásico puede ser excelente en tareas difíciles como clasificar una gran base de datos de moléculas. Pero tiene dificultades para resolver problemas más complejos, como simular el comportamiento de esas moléculas.
Hoy en día, si los científicos quieren saber cómo se comportará una molécula, deben sintetizarla y experimentar con ella en el mundo real. Si quieren saber cómo afectaría un pequeño ajuste a su comportamiento, normalmente necesitan sintetizar la nueva versión y volver a ejecutar el experimento. Se trata de un proceso caro y lento que impide el progreso en campos tan diversos como la medicina y el diseño de semiconductores.
Un superordenador clásico podría intentar simular el comportamiento molecular con fuerza bruta, utilizando sus numerosos procesadores para explorar todas las formas posibles en que podría comportarse cada parte de la molécula. Pero a medida que pasa por delante de las moléculas más simples y directas disponibles, el superordenador se detiene. Ningun ordenador tiene la memoria de trabajo para manejar todas las posibles permutaciones del comportamiento molecular mediante el uso de métodos conocidos.
Los algoritmos cuánticos adoptan un nuevo enfoque para este tipo de problemas complejos: la creación de espacios computacionales multidimensionales. Esto resulta ser una forma mucho más eficiente de resolver problemas complejos como las simulaciones químicas.
No tenemos una buena manera de crear estos espacios computacionales con ordenadores clásicos, lo que limita su utilidad sin computación cuántica. Los químicos industriales ya están explorando formas de integrar los métodos cuánticos en su trabajo. Este es solo un ejemplo. Las empresas de ingeniería, las instituciones financieras, las compañías navieras globales, entre otras, están explorando casos de uso en los que los ordenadores cuánticos podrían resolver problemas importantes en sus campos. En el horizonte se vislumbra una explosión de beneficios de la investigación y el desarrollo cuánticos. A medida que se amplíe el hardware cuántico y avancen los algoritmos cuánticos, se resolverán muchos problemas importantes, como la simulación molecular.
Un procesador IBM Quantum no es mucho más grande que el que se encuentra en un portátil. Y un sistema de hardware cuántico tiene el tamaño de un coche, compuesto sobre todo de sistemas de refrigeración para mantener el procesador superconductor a su temperatura operativa ultrafría.
Un procesador clásico utiliza bits clásicos para realizar sus operaciones. Un ordenador cuántico utiliza qubits (CUE-bits) para ejecutar algoritmos cuánticos multidimensionales.
Superconductores
Es probable que su ordenador de escritorio use un ventilador para enfriarse lo suficiente como para funcionar. Nuestros procesadores cuánticos necesitan estar muy fríos (alrededor de una centésima de grado por encima del cero absoluto) para evitar la "decoherencia" o conservar sus estados cuánticos. Para lograrlo, utilizamos superfluidos súper enfriados. A estas temperaturas ultrabajas, ciertos materiales muestran un importante efecto mecánico cuántico: los electrones se mueven a través de ellos sin resistencia. Esto los convierte en "superconductores".
Cuando los electrones pasan a través de los superconductores, coinciden, formando "pares de Cooper". Estos pares pueden transportar una carga a través de barreras, o aislantes, a través de un proceso conocido como túnel cuántico. Dos superconductores colocados a cada lado de un aislante forman una unión Josephson.
Control
Nuestros ordenadores cuánticos usan uniones Josephson como qubits superconductores. Al disparar fotones de microondas a estos qubits, podemos controlar su comportamiento y hacer que retengan, cambien y lean unidades individuales de información cuántica.
Superposición
Un qubit como tal no es muy útil. Pero puede realizar un truco importante: colocar la información cuántica que contiene en un estado de superposición, que representa una combinación de todas las configuraciones posibles del qubit. Los grupos de qubits en superposición pueden crear espacios computacionales complejos y multidimensionales. Los problemas complejos pueden ser representados de nuevas maneras en estos espacios.
Entrelazamiento
El entrelazamiento cuántico es un efecto que correlaciona el comportamiento de dos cosas distintas. Los físicos han descubierto que cuando dos cúbits se entrelazan, los cambios en un cúbit afectan directamente al otro.
Interferencia
En un entorno de qubits entrelazados colocados en un estado de superposición, hay ondas de probabilidades. Estas son las probabilidades de los resultados de una medición del sistema. Estas ondas pueden acumularse unas sobre otras cuando muchas de ellas alcanzan un pico en un resultado concreto, o anularse mutuamente cuando los picos y los valles interactúan. Ambas son formas de interferencia.
Un cálculo en un ordenador cuántico funciona preparando una superposición de todos los estados computacionales posibles. Un circuito cuántico, preparado por el usuario, utiliza interferencias selectivamente en los componentes de la superposición de acuerdo con un algoritmo. Muchos resultados posibles se anulan por interferencias, mientras que otros se amplifican. Los resultados amplificados son las soluciones para el cálculo.
En este momento, IBM Quantum lidera el mundo en hardware y software de computación cuántica. Nuestra hoja de ruta es un plan claro y detallado para escalar los procesadores cuánticos, superar el problema de escalado y construir el hardware necesario para la ventaja cuántica en la era de las ruidosas máquinas cuánticas.
Hoy en día, gran parte del trabajo en el campo de la computación cuántica se dedica a lograr la corrección de errores, una técnica que permitiría la computación cuántica sin ruido en ordenadores cuánticos de gran tamaño.
Trabajos recientes de IBM y otros organismos han demostrado que los ordenadores cuánticos ruidosos podrían ser capaces de realizar trabajos útiles en un futuro próximo, incluso antes de la llegada de la corrección de errores, mediante técnicas conocidas como mitigación de errores.
IBM ha estado años desarrollando el software que será necesario para hacer ese trabajo útil. Presentamos el SDK cuántico de Qiskit. Es de código abierto, está basado en Python y, con diferencia, es el SDK cuántico más utilizado en el mundo, útil para ejecuciones tanto en la flota de ordenadores cuánticos superconductores de IBM como en sistemas que utilizan tecnologías alternativas como iones atrapados en campos magnéticos.
Desarrollamos Qiskit Runtime, el modelo de programación cuántica más potente del mundo. (Obtenga más información sobre Qiskit y Qiskit Runtime, y cómo comenzar, en la siguiente sección).
Lograr una ventaja cuántica requiere nuevos métodos para suprimir errores, aumentar la velocidad y orquestar los recursos cuánticos y clásicos. IBM y sus socios de la industria, el mundo académico y las nuevas empresas están sentando hoy las bases de ese trabajo en Qiskit Runtime.
Los ordenadores cuánticos de IBM se programan mediante el uso de Qiskit, nuestro SDK cuántico de código abierto basado en Python. Qiskit tiene módulos que cubren aplicaciones en finanzas, química, optimización y aprendizaje automático.
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¿Listo para cargas de trabajo más grandes? Ejecute a escala con Qiskit Runtime, nuestro modelo de programación cuántica para crear y escalar cargas de trabajo de manera eficiente. Qiskit Runtime permite a los usuarios implementar aplicaciones cuánticas clásicas personalizadas con fácil acceso a los cálculos híbridos de HPC en los sistemas cuánticos de mayor rendimiento del mundo.
Qiskit Runtime proporciona un entorno de ejecución para tejer circuitos cuánticos con procesamiento clásico, acelerando de forma nativa la ejecución de ciertos programas cuánticos. Esto significa una iteración más rápida, una latencia reducida y un tiempo de cálculo más desinhibido en los sistemas cuánticos líderes del mundo: el modelo de ejecución basado en la nube de Qiskit Runtime demostró una aceleración de 120 veces en la simulación del comportamiento molecular.
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