Desempaquetant Eagle, el nou xip quàntic de 127 qubits d’IBM


IBM descoberta un xip de computació quàntica de 127 qubits anomenat Eagle aquesta setmana, que mostra un nou actiu en la carrera per construir l’ordinador quàntic més potent.

Les seves fitxes coincidiran amb les del com el Laboratori Nacional de Ciències Físiques de Hefei a la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina, Googlei Microsoft.

L’Àguila és un processador quàntic que és de la mida d’un quart. A diferència dels xips d’ordinador habituals, que codifiquen la informació com a 0 o 1 bits, els ordinadors quàntics poden representar informació en una cosa anomenada qubits, que poden tenir un valor de 0, 1 o tots dos alhora a causa d’una propietat única anomenada superposició. En mantenir més de 100 qubits en un sol xip, IBM diu que Eagle podria augmentar “l’espai de memòria necessari per executar algorismes”, cosa que en teoria ajudaria els ordinadors quàntics a assumir problemes més complexos.

“La gent està entusiasmada amb les perspectives dels ordinadors quàntics durant moltes dècades perquè hem entès que hi ha algorismes o procediments que podeu executar en aquestes màquines que no podeu executar en ordinadors convencionals o clàssics”, diu David Gosset, professor associat. a l’Institut de Computació Quàntica de la Universitat de Waterloo, que treballa en la investigació amb IBM, “que pot accelerar la solució de determinats problemes específics”.

Aquí teniu el que cal saber sobre aquests nous xips i la informàtica quàntica en general.

Aquestes són les maneres en què els ordinadors quàntics poden ser útils

Tota aquesta tecnologia fantàstica planteja la pregunta: de què serveix un xip quàntic, de totes maneres?

Hi ha tres grans categories de tasques que els científics teoritzen que els ordinadors quàntics podrien fer millor que les màquines tradicionals. Quan els físics Richard Feynman i David Deutsch van proposar per primera vegada ordinadors quàntics a la dècada de 1980, la seva idea era utilitzar-los per simular sistemes quàntics com molècules que no es poden representar amb precisió mitjançant algorismes clàssics i ordinadors convencionals.

Els ordinadors quàntics també són experts en determinades funcions matemàtiques com ara factoritzar nombres enters, un cas d’ús proposat per primera vegada pel matemàtic Peter Shor als anys noranta. Alguns sistemes de criptografia que xifraven dades a través d’Internet es basaven en la dificultat d’aquest problema. “És cert que els ordinadors quàntics es poden utilitzar per trencar part del xifratge que s’utilitza actualment a les nostres màquines clàssiques”, diu Gosset. “No obstant això, hi ha tot un camp conegut com a criptografia postquàntica, i aquest camp té com a objectiu desenvolupar nous sistemes criptogràfics clàssics que siguin resistents a ser trencats”.

Finalment, els ordinadors quàntics podrien fer cerques més ràpides a través d’una base de dades no ordenada en comparació amb els ordinadors clàssics, gràcies a un algorisme introduït per primera vegada pel científic informàtic Lov Grover.

[Related: Amazon’s venture into the bizarre world of quantum computing has a new home base]

En temps més moderns, alguns dels clients d’IBM utilitzen ordinadors quàntics per simular molècules o la dinàmica en problemes químics, mentre que altres han intentat aplicar-los a tasques d’aprenentatge automàtic i optimització.

El viatge que va conduir al xip Eagle va començar el 2016, quan IBM va llançar un ordinador quàntic de 5 qubits al núvol anomenat Experiència quàntica. Des de llavors, la companyia ha llançat una successió de xips amb un nombre creixent de qubits, tots amb nom d’ocells i cadascun amb el seu propi conjunt de reptes tecnològics.

El maquinari de computació quàntica d’IBM està format per circuits superconductors. Els mateixos qubits estan fets d’un material superconductor anomenat niobi. La disposició del sistema sembla un inductor en paral·lel amb un condensador. Aquests dos elements controlen el flux de corrent al circuit i l’inductor és un element no lineal anomenat Josephson Junction, que és una unió a nanoescala d’òxid d’alumini. Aquest tipus de qubit superconductor va ser pioner a Yale a les aughts i, a la pràctica, sembla que un àtom artificial que es pot controlar mitjançant una seqüència de polsos de microones.

El vol del falcó i el colibrí

Així és com funcionen els xips quàntics, en general.

Bàsicament, tots els xips quàntics estan connectats a a sistema de control que té l’electrònica que s’utilitza per fer funcionar el processador quàntic. Poden alimentar polsos a través dels cables als qubits. “Parles amb ells encenent microones o posant un senyal amb una freqüència determinada. Cada qubit està etiquetat per la seva pròpia freqüència, que seria com el color de la llum. És com si cada qubit tingués el seu propi número de sèrie”, explica Christopher Wilson, professor de l’Institut de Computació Quàntica de la Universitat de Waterloo.

Amb el xip Falcon de 27 qubits, els enginyers d’IBM van haver d’esbrinar com ajustar amb precisió les unions de Josephson que van fer. “Quan els feu, la vostra fabricació donarà lloc a una certa dispersió de l’energia total d’on acaben aquests qubits”, diu Jerry Chow, director de desenvolupament de sistemes de maquinari quàntic d’IBM Quantum. Per fer un gran nombre de qubits que cadascun tingués les energies adequades, van inventar una tècnica de recuit làser que els va permetre ajusta les freqüències de qubit als llocs adequats després de fabricar el xip.

El xip just abans de l’Àguila era Hummingbird a 65 qubits. L’obstacle que hi havia era com es van llegir els qubits individuals.

“Amb tots aquests qubits, heu d’introduir cables per controlar-los, treure cables per llegir-los i el vostre sistema complet està dins d’un [cryostat to] refredar-lo, refrigerar-lo”, diu Chow. “Vam dissenyar el xip de manera que ens permetés, per cada 8 qubits, utilitzar una única cadena de lectura. Això influeix en el volum total de components que mantenim dins del sistema de refrigeració”.

Eagle, el seu xip actual, necessitava un esquema de cablejat eficient. “Quan arribis als 100 [qubit] nivell, és molt difícil introduir els cables per abordar realment cadascun d’ells. És només un problema immobiliari”, diu Chow. En versions anteriors, els xips eren “un cop enganxat”, el que significava tenir un xip amb qubits i un altre xip amb part del cablejat. “Fins i tot en aquest cas, és molt difícil portar tot el cablejat als llocs adequats a mesura que augmenteu”.

Però dins del xip Eagle hi ha un conjunt de capes que permeten un cablejat multinivell. “Som capaços d’incorporar molt més dels circuits de control que ens permeten ventilar i ventilar els senyals per abordar el nombre de qubits que tenim a Eagle”, diu Chow. En una animació interactiva sobre els seus entrada al blog, IBM va desglossar aquestes capes de dalt a baix en el pla qubit, el pla ressonador (per a la lectura del qubit), el pla de cablejat (encamina els senyals al pla qubit) i l’interposador (ofereix senyals). Aquest disseny es va inspirar en microprocessadors comuns a les tecnologies de semiconductors (penseu als xips d’ordinador clàssics).

Una altra característica del xip Eagle és l’estructura de gelosia hexagonal que conté els qubits. “La idea és que tingueu aquests elements de circuit, que són els qubits, i el que hem de fer és connectar els qubits entre ells”, explica Chow. Els qubits es col·loquen en una disposició semblant a un breu d’abella: imagineu un qubit a cada vèrtex i vora. S’utilitza un element de circuit anomenat bus quàntic per enllaçar qubits veïns. El disseny de la gelosia es remunta al xip Falcon. Els va permetre tenir una matriu de qubits d’alta densitat en un gràfic, perquè va reduir la quantitat de col·lisions d’energia entre els qubits, cosa que podria reduir les taxes d’error i preservar el temps de coherència dels qubits.

El temps de coherència es refereix al temps que romanen els qubits en l’estat de superposició quàntica, semblant a l’ona. Però a mesura que els qubits parlen entre ells i amb els cables del seu entorn, la informació quàntica es filtra, donant lloc a una decoherència. El temps de coherència i el temps que cal fer a porta quàntica “estableix el límit de temps sobre el gran càlcul que podeu fer”, diu Wilson.

Els temps de coherència d’Eagle estan en el rang de 70 a 110 microsegons, que és “a l’igual de la mitjana d’una de les nostres generacions anteriors de processadors Falcon”, diu Chow. Tanmateix, en una nova generació de Falcon que estan desenvolupant en paral·lel amb Eagle, Chow afirma que han estat capaços d’augmentar el temps de coherència mitjà fins als 300 microsegons.

“Hem provat tots els qubits, hem comprovat que totes les portes funcionen. Encara continuem afinant totes aquestes portes i fent-les més fidels, menors errors. Hem fet demostracions senzilles d’enredament”, diu Chow. “A mesura que ho continuem caracteritzant completament, farem proves com el volum quàntic per mesurar la qualitat, CLOPS [Circuit Layer Operations per second] per mesurar la velocitat”.

Un sistema de refrigeració actualitzat per al proper Osprey

IBM està buscant xips encara més grans a la carretera: un anomenat Osprey volaria a 400 qubits i un altre, Condor, a 1.000. Però per a connexions d’alta densitat, l’equip de Chow pensa que el sistema actual d’un sol canelobre pot ser que no sigui suficient per mantenir tot el sistema fresc.

El Sistema Un El contenidor que allotja el seu criòstat d’aranya actual, així com el cablejat i l’electrònica de control que envolten l’ordinador quàntic s’han d’actualitzar. “Una cosa important és que necessitem més espai per a l’entorn criogènic, de manera que és una nevera més gran”, diu Chow. “Ens hem associat amb Bluefors per imaginar com serà aquest tipus d’espai de nevera més gran i més utilitzable”.

El nombre és important, però no ho és tot

Molts experts coincideixen que trencar la barrera dels 100 qubits és digne de menció, ja que la majoria dels ordinadors quàntics en els últims anys s’han situat entre els 50 i els 70 qubits (l’ordinador de Google que va aconseguir “supremacia quàntica” el 2019 tenia 53 qubits).

Per context, el cost de representar un estat quàntic en la memòria d’un ordinador clàssic s’escala de manera exponencial amb cada qubit afegit.

“Quan es parla de 40 o 50 qubits, hi ha màquines al món que tenen prou memòria d’ordinador, potser són aquests enormes superordinadors”, diu Gosset. “Aquest és el límit d’on podeu emmagatzemar l’estat quàntic a la memòria utilitzant una quantitat ridícula d’espai en disc. Però amb 100 qubits realment no podeu emmagatzemar l’estat quàntic complet a la memòria de l’ordinador”.

Tanmateix, els experts diuen que determinar si l’ordinador quàntic és realment útil no es tracta només del nombre de qubits. “Es tracta de la connectivitat del dispositiu, de manera que la vostra capacitat d’aplicar portes entre diferents qubits”, afegeix Gosset. “També té a veure amb la fidelitat dels qubits, és a dir, la taxa d’errors que es produeixen al dispositiu”.

Més d’una manera de fer un ordinador quàntic

Tot i que els qubits superconductors són els materials més populars utilitzats per construir un ordinador quàntic, certament no és l’única manera. “IBM i Google treballen en qubits superconductors i Microsoft en un enfocament més naixent anomenat qubits topològics”, diu Sebastian Will, professor ajudant de física a la Universitat de Columbia. “Ambdues tecnologies es basen parcialment en tècniques i enfocaments de fabricació que són una mica similars als xips de silici que coneixem dels ordinadors clàssics”.

Però Will assenyala que també existeixen altres plataformes de computació quàntica prometedores, com ara sistemes basats en ions atrapats i àtoms neutres. “En molts aspectes, els sistemes de computació quàntica basats en ions o àtoms neutres són més simples que els qubits superconductors, perquè el qubit no s’ha de fabricar”, diu. “La natura simplement la proporciona en forma d’ions i àtoms”.

Honeywell, per exemple, està desenvolupant ordinadors quàntics amb ions atrapats, utilitzant camps electromagnètics per contenir els ions i senyals de microones i làsers per codificar-los. Però, en general, es veuen amb més freqüència als laboratoris universitaris i a les petites empreses emergents.

Com que l’enginyeria de maquinari per a ordinadors quàntics és més complicada que la dels ordinadors clàssics, “avui no està clar quina serà la plataforma de maquinari més prometedora per a ordinadors quàntics útils”, diu Will. “El que serà més convincent és una demostració, on un ordinador quàntic resol un problema rellevant del món real millor que un ordinador clàssic”.