En un movimiento que marca un hito significativo en la computación cuántica, Amazon Web Services (AWS) ha desvelado hoy Ocelot, su primer chip de computación cuántica de primera generación.
Aunque sus capacidades de cálculo son aún rudimentarias, la compañía lo presenta como una demostración de principio, un paso crucial hacia la creación de máquinas cuánticas más potentes capaces de materializar las aplicaciones revolucionarias que la industria promete, como simulaciones rápidas y precisas de nuevos materiales para baterías.
“Este es un prototipo inicial que demuestra que esta arquitectura es escalable y eficiente en términos de hardware”, afirma Oskar Painter, jefe de hardware cuántico en AWS, la división de computación en la nube de Amazon.
“En particular, nuestro enfoque simplifica la implementación de la corrección de errores, un desafío técnico clave en el desarrollo de la computación cuántica”.
Ocelot se compone de nueve bits cuánticos, o qubits, integrados en un chip de aproximadamente un centímetro cuadrado, que, al igual que otros sistemas de hardware cuántico, requiere un enfriamiento criogénico cercano al cero absoluto para funcionar. Cinco de estos nueve qubits son del tipo conocido como “cat qubits”, denominados así en honor al famoso experimento mental del gato de Schrödinger. Esta superposición de estados, donde un qubit puede existir simultáneamente en múltiples estados, es un concepto fundamental en la computación cuántica.
Los cat qubits desarrollados por AWS son diminutas estructuras huecas de tantalio que contienen radiación de microondas, adheridas a un chip de silicio. Los cuatro qubits restantes son transmons, circuitos eléctricos construidos con material superconductor. En esta arquitectura, AWS utiliza los cat qubits para almacenar información, mientras que los qubits transmon monitorizan la información en los cat qubits. Esta estrategia distingue su tecnología de los ordenadores cuánticos de Google e IBM, que utilizan exclusivamente transmons para sus operaciones computacionales.
Un aspecto destacado de Ocelot es la implementación de una forma más eficiente de corrección de errores cuánticos. Al igual que cualquier ordenador, los ordenadores cuánticos son susceptibles a errores.
Sin corrección, estos errores se acumulan, limitando la precisión de los algoritmos necesarios para aplicaciones prácticas. “La única forma de obtener un ordenador cuántico útil es implementar la corrección de errores cuánticos”, subraya Painter.
Sin embargo, los algoritmos de corrección de errores cuánticos suelen requerir un hardware considerable. El año pasado, Google codificó un solo bit de información cuántica corregido por errores utilizando 105 qubits. El diseño de Amazon, en cambio, promete reducir esta cifra a una décima parte, según Painter. En un estudio publicado en Nature, el equipo demostró la codificación de un solo bit de información corregido por errores utilizando los nueve qubits de Ocelot. Teóricamente, este diseño de hardware debería ser más fácil de escalar a una máquina más grande que un diseño basado únicamente en transmons.
La combinación de cat qubits y transmons simplifica la corrección de errores, reduciendo el número de qubits necesarios, explica Shruti Puri, física de la Universidad de Yale, quien no participó en la investigación. “Básicamente, se pueden descomponer todos los errores cuánticos en dos tipos: flips de bit y flips de fase”, detalla Puri. Los ordenadores cuánticos representan la información como 1s, 0s y superposiciones de ambos. Un flip de bit ocurre cuando el ordenador codifica erróneamente un 1 en lugar de un 0, o viceversa. Un flip de fase es un error exclusivo de la computación cuántica, relacionado con las propiedades ondulatorias del qubit.
El diseño cat-transmon permitió a Amazon diseñar el ordenador cuántico de manera que los errores fueran predominantemente flips de fase.
Esto permitió utilizar un algoritmo de corrección de errores mucho más sencillo que el de Google, que requería menos qubits. “El ahorro en hardware proviene del hecho de que solo necesitas corregir principalmente un tipo de error”, explica Puri. “El otro error ocurre muy raramente”.
Los ahorros de hardware también se deben a la cuidadosa implementación de una operación conocida como puerta C-NOT, utilizada durante la corrección de errores. Los investigadores de Amazon demostraron que la operación C-NOT no introducía desproporcionadamente errores de flip de bit. Esto significaba que, después de cada ronda de corrección de errores, el ordenador cuántico seguía produciendo principalmente errores de flip de fase, lo que permitía seguir utilizando el código de corrección de errores sencillo y eficiente en hardware.
AWS comenzó a trabajar en los diseños de Ocelot en 2021, según Painter. Su desarrollo fue un “problema de pila completa”. Para crear qubits de alto rendimiento capaces de ejecutar la corrección de errores, los investigadores tuvieron que desarrollar una nueva forma de cultivar tantalio, el material de sus cat qubits, en un chip de silicio con la menor cantidad posible de defectos a escala atómica.
“Es un avance significativo que AWS pueda ahora fabricar y controlar múltiples cat qubits en un solo dispositivo”, “Cualquier trabajo que se dirija a escalar nuevos tipos de qubits es interesante”, afirma Shruti Puri.
Sin embargo, aún quedan años de desarrollo por delante. Otros expertos predicen que los ordenadores cuánticos requerirán miles, si no millones, de qubits para realizar tareas útiles. El trabajo de Amazon “es un primer paso”, afirma Shruti Puri.
Añade que los investigadores deberán reducir aún más la fracción de errores debidos a los flips de bit a medida que aumenten el número de qubits.
Aun así, este anuncio marca el camino a seguir para Amazon. “Esta es una arquitectura en la que creemos”, afirma Painter. Anteriormente, la estrategia principal de la compañía era perseguir los qubits transmon convencionales como los de Google e IBM, y trataban este proyecto de cat qubits como un “trabajo clandestino”, explica. Ahora, han decidido priorizar los cat qubits. “Nos convencimos de que este debía ser nuestro principal esfuerzo de ingeniería, y seguiremos haciendo algunas exploraciones, pero esta es la dirección que vamos a tomar”. (La startup Alice & Bob, con sede en Francia, también está construyendo un ordenador cuántico hecho de cat qubits).
Tal como está, Ocelot es básicamente una demostración de memoria cuántica, afirma Painter. El siguiente paso es añadir más qubits al chip, codificar más información y realizar cálculos reales. Pero tienen muchos desafíos por delante, desde cómo conectar todos los cables hasta cómo enlazar múltiples chips. “Escalar no es trivial”, concluye.
Esta noticia se basa en la información publicada en MIT Technology Review.