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Honeywell colocará computadoras cuánticas en iones capturados en la nube cuántica de Microsoft

Durante muchos años, los científicos han estado desarrollando varios sistemas en los que se podrían ejecutar algoritmos cuánticos. La mayoría de ellos tienen una o dos ventajas: facilidad de manejo o la capacidad de mantener su condición por más tiempo que otros, sin embargo, no hay otras cualidades positivas que les impidan convertirse en soluciones prácticas para los cálculos. Sin embargo, en los últimos años, algunas compañías han descubierto cómo manipular un número significativo de qubits de estado sólido, los llamados transmons . Como la tecnología para producir transmons es similar a la producción de chips convencionales, muchos jugadores en el mercado emergente, incluidos Google, IBM y Rigetti, se han decidido por los transmons.

Sin embargo, los transmons no son perfectos. Requieren temperaturas extremadamente bajas, baja variabilidad de un dispositivo a otro, y mantienen su condición bien, pero no perfectamente. Muchos expertos en este campo creen que otra tecnología aún tiene la oportunidad de superar los transmons.

Y ahora, una empresa nueva en el mercado de la computación cuántica también apuesta por esto. Honeywell, una compañía más conocida como proveedor del Departamento de Defensa, anunció la creación de una computadora cuántica basada en la tecnología alternativa de "trampas de iones", y este año dará acceso a sus computadoras a través del servicio en la nube Microsoft Azure. La compañía también afirma que, según algunas estimaciones, esta es la computadora cuántica más poderosa creada hasta la fecha, sin embargo, esta declaración debe tomarse con mucho cuidado.

Atrapado

Los qubits de transición funcionan cuando la corriente circula en un bucle de un cable superconductor conectado a un resonador, lo que permite controlar y leer el estado actual. Sin embargo, dado que el cable superconductor y el resonador deben fabricarse en producción, esto puede dar lugar a la aparición de pequeñas diferencias entre los qubits individuales. Además, todo este hierro debe mantenerse a una temperatura extremadamente baja, solo ligeramente por encima del cero absoluto, para mantener estos objetos relativamente grandes dentro de su estado cuántico principal.

Los iones atrapados brindan la oportunidad de sortear algunos de estos problemas. El qubit en sí está formado por un pequeño número de átomos, en el caso de Honeywell, de dos. El presidente de soluciones cuánticas de Honeywell, Tony Attley, enfatiza que este hecho elimina los problemas de producción, ya que cada dispositivo tiene las mismas propiedades que el átomo utilizado (en este caso, iterbio). "Cada qubit comienza con un ideal", nos dijo Attley. "Cualquier error cometido proviene de la infraestructura circundante".

Gracias a la experiencia de Honeywell en la fabricación e integración de esta infraestructura, los ingenieros de la compañía están en una posición ideal para minimizar este ruido. Además, estos pequeños grupos de átomos se pueden enfriar con láser. Aunque la temperatura ambiente debe mantenerse muy baja, no tiene que alcanzar las temperaturas extremas necesarias para el transmon.

En el caso de Honeywell, los átomos de iterbio no eran tan fáciles de enfriar con láser, por lo que la compañía agregó un par de átomos de bario al sistema y los enfrió con un láser. Un grupo de cuatro iones es fácil de enfriar y controlar, y es suficiente para mantener el ambiente a una temperatura de 12 K. Aunque se requiere helio líquido para esto, no requiere el sofisticado equipo de enfriamiento de licuefacción que se requiere para el hierro de Google e IBM.

Como los iones están cargados, se pueden mover dentro del dispositivo simplemente cambiando los campos eléctricos locales utilizando 200 electrodos integrados en el dispositivo. El estado de los electrones en los iones se puede controlar utilizando láseres con una longitud de onda específica, capaces de colocar electrones en una superposición con estados de energía potencial. El enredo y varias operaciones lógicas pueden llevarse a cabo simplemente moviendo dos iones más cerca uno del otro, y usando láseres trabajando con ambos simultáneamente. La lectura se realiza mediante la estimulación de iones por otro láser, lo que obliga a los iones a emitir un fotón, desde el cual es posible juzgar su estado.

Dispositivo Honeywell

Un dispositivo de Honeywell puede considerarse como una línea de dispositivos individuales. Los iones provienen de un extremo, que luego se mueven a lo largo de secciones sucesivas, donde pueden retrasarse para el almacenamiento o irradiarse con láseres que manipulan qubits. Las operaciones lógicas (el equivalente cuántico de AND y NOT) se pueden realizar simplemente colocando dos iones uno al lado del otro y realizando una operación en ellos simultáneamente. Además, los grupos de cuatro iones (dos iterbio, dos bario) se pueden dividir en dos partes, o se pueden combinar dos grupos de dos iones.

El dispositivo del que Honeywell habla hoy alinea cuatro qubits en la misma línea de estos pasos de almacenamiento y manejo. Sin embargo, el diagrama del dispositivo también muestra dos líneas adicionales de las etapas de almacenamiento y manipulación, que van desde ambos lados de la línea utilizada en los experimentos iniciales. Esto es consistente con lo que dijo Attley: Honeywell cree que el dispositivo se puede escalar rápidamente y que se pueden agregar qubits adicionales anualmente sin cambiar la arquitectura a un nivel fundamental. Entonces, aunque cuatro qubits no son suficientes en comparación con lo que se obtuvo en dispositivos con transmons, la compañía cree que puede cerrar rápidamente esta brecha.

Se requieren muchos láseres para controlar el estado de los qubits

Uno de los aspectos interesantes de dicho esquema, que, según Attley, carece de otros sistemas comerciales existentes, es la capacidad de medir qubits individualmente, sin perturbar ninguna otra parte del sistema. (Técnicamente, esto se lleva a cabo utilizando la operación con el fantástico nombre CNOT - ventilador de teletransportación cuántica). Permite que la computadora realice el equivalente de la ramificación IF, cambiando el algoritmo en función de los resultados de la medición de un solo qubit. Después de medir, el qubit también puede restaurarse a su estado original y reutilizarse para otros cálculos.

Los componentes individuales del sistema se comportan perfectamente. Un problema potencial es la "preparación de estado y errores de medición", que se ha abreviado como SPAM [preparación de estado y errores de medición]. En este caso, los investigadores de Honeywell descubrieron que el SPAM está dominado por errores de medición, pero ocurren en menos del 1% de los casos. Para puertas de un solo qubit, los errores ocurren con un orden de magnitud con menos frecuencia, para puertas de dos qubit, a un nivel similar. Y todo esto es mucho más bajo que los indicadores típicos de transmon.

Sobre ese indicador de rendimiento

Honeywell presenta esto como la "computadora cuántica más poderosa del mundo", sin embargo, la exactitud de la declaración depende en gran medida de los esquemas de medición de velocidad utilizados. Honeywell utiliza una medida definida por IBM y la llamó "volumen cuántico". Citaremos parte del análisis del volumen cuántico realizado por Chris Lee, ya que describe bien su conexión con la computadora desde Honeywell:

dado que las puertas cuánticas siempre pueden dar un error, hay un número máximo de operaciones que se pueden realizar antes de que no sea razonable considerar que el estado qubit es verdadero. Esta cantidad, multiplicada por el número de qubits, nos da la profundidad del circuito. Si se usa honestamente, describe con bastante precisión de lo que es capaz una computadora cuántica.

El problema con la profundidad es que es posible mantener constante el número total de qubits (y pequeños), reduciendo el porcentaje de errores a valores muy pequeños. Como resultado, obtienes una gran profundidad, pero al mismo tiempo resulta que solo realiza cálculos que se ajustan a la cantidad de qubits que tienes. Una computadora cuántica de dos qubits de gran profundidad seguirá siendo inútil.

Resulta que el propósito de la evaluación es expresar las capacidades computacionales del indicador, que incluye el número de qubits y la profundidad del circuito. Para un volumen específico del algoritmo y el problema, este será el número mínimo de qubits necesarios para los cálculos. Y dependiendo de la conexión de los qubits entre sí, para la implementación del algoritmo, se requerirá un cierto número de operaciones. Los investigadores expresan este número comparando el número máximo de qubits involucrados en los cálculos con la profundidad del circuito, y cuadrando el mínimo de estos dos indicadores. Entonces, el volumen cuántico máximo posible será simplemente el número de qubits al cuadrado.

Como se señaló anteriormente, Honeywell informa una tasa de error extremadamente baja, lo que significa que cada cálculo que se ejecuta en cuatro qubits de su computadora probablemente no contendrá errores. Y dado que los iones pueden moverse dentro del dispositivo a voluntad, pueden conectarse arbitrariamente entre sí. Resulta que el volumen cuántico es igual al número de qubits al cuadrado. Esto difiere del rendimiento del equipo utilizado por Google e IBM, donde 10 veces más qubits, pero muchos más errores, y los qubits se pueden conectar solo con un pequeño número de vecinos.

Como resultado, para que una máquina de Honeywell se ponga al día con las máquinas de sus rivales en términos de volumen cuántico, no tiene que agregar demasiados qubits adicionales. La estructura de la máquina que describe hoy definitivamente le permite agregarle qubits. Como resultado, la compañía reclama un volumen cuántico de 64, lo que significa ocho qubits, y hay muchas razones para creerlo.

Sin embargo, si IBM ya ha introducido una computadora que contiene casi 64 qubits reales, y Google pronto debería hacer lo mismo, ¿el clima solo generará ocho qubits? La respuesta, como siempre, es ambigua. Algunos algoritmos serán altamente dependientes de la conectividad de qubits. Y aunque pueden iniciarse en máquinas más grandes con menos conectividad, esto requerirá que una mayor cantidad de qubits sirvan como enlaces de conexión, organizando conectividad equivalente, y cada uno de ellos es potencialmente capaz de introducir un error en los cálculos. La alta conectividad de la máquina Honeywell puede compensar la necesidad de operaciones adicionales, y las operaciones aún no son la principal fuente de errores. Primer plano de la trampa de iones; Varias zonas para almacenar y manipular qubits son visibles

Y también está el problema de la escala. Attley dijo que la compañía debería poder aumentar su volumen cuántico en un orden de magnitud anualmente durante los próximos cinco años, lo que requeriría agregar 3-4 qubits por año. Esto significa que incluso después de cinco años, la computadora tendrá unos 30 qubits, la mitad del rendimiento actual de los competidores. Mientras tanto, Google e IBM están trabajando para reducir errores y agregar un par de docenas de qubits a sus máquinas cada pocos años.

Si los planes de todas las compañías se hacen realidad, en unos años la situación se volverá muy interesante. Honeywell tendrá una ventaja significativa en el volumen cuántico, y sus competidores con hierro en transmons tendrán un orden de magnitud más qubits. Mientras tanto, los equipos que usan transmons tienen la intención de crear computadoras cuánticas con corrección de errores, lo que requerirá miles de qubits, lo que significa que los investigadores esperan que desde algún punto aprendan a agregar cientos de qubits con cada nueva generación de chips.

Como no está claro cuándo, según las compañías, debe comenzar un crecimiento de qubits, no está claro cómo la salida de Honeywell puede cambiar el panorama competitivo.

¿Qué tendremos hasta ahora?

Honeywell, una compañía cuyas divisiones hacen de todo, desde artículos deportivos hasta contratos con el ejército, es definitivamente un competidor inusual en un mercado dominado por una combinación de nuevas empresas y compañías informáticas tradicionales. Sin embargo, la compañía contó una historia consistente de su entrada en el mercado: como parte de su trabajo de fabricación, Honeywell ha desarrollado muchos componentes informáticos en trampas de iones, como fotónica, criogénica, sistemas de vacío, para otros fines. Y un grupo de científicos de la compañía dijo que el potencial de esta área es lo suficientemente grande como para que valga la pena intentar desarrollarlo. Y dado que Honeywell es una gran empresa, pudo reclutar a un grupo bastante fuerte de personas apasionadas por el desarrollo de este proyecto.

Al igual que otras compañías en este campo, Honeywell determinó que la mayoría de las compañías no desean crear su propia infraestructura en la que pueda operar su sistema de enfriamiento de helio líquido. Por lo tanto, Honeywell proporcionará acceso a sus computadoras cuánticas a través de la nube. También estuvo de acuerdo con Microsoft para que se pueda acceder al sistema a través de su servicio Azure.

Para escribir los programas que se utilizan en el trabajo actual, los investigadores de Honeywell adaptaron Qiskitde IBM, una herramienta de código abierto que le permite describir algoritmos cuánticos en una forma que no está vinculada a un hardware específico, y luego emitir comandos reales para ejecutar el programa en un hardware específico (algo así como un compilador multiplataforma). Por lo tanto, la compañía espera aprovechar las soluciones expertas existentes. También puede significar que las empresas podrán desarrollar un conjunto de algoritmos cuánticos y luego ejecutarlos en cualquier sistema con las propiedades que necesitan (alta conectividad o una gran cantidad de qubits) para lograr el rendimiento necesario.

Amigos y competidores

Quizás debido a la introducción de una arquitectura completamente nueva, la compañía combinó el anuncio de su tecnología con dos contribuciones a compañías que ya están desarrollando algoritmos cuánticos. También anunció que el gigante financiero JPMorgan Chase trabajará con Honeywell para explorar las posibilidades de usar su sistema para desarrollar algoritmos financieros. Esto no significa que el sistema esté completamente listo para usar; Ya hablamos con personas de JPMorgan Chase, y dijeron que estaban tratando de garantizar que la compañía estuviera completamente lista para computadoras cuánticas prácticas.

Todo esto demuestra que Honeywell se toma muy en serio su desarrollo y espera convertirse en uno de los principales rivales en el ámbito de la computación cuántica. Y si sus predicciones para el futuro se hacen realidad, entonces es probable que así sea.

El observador puede verse tentado a comparar la situación con la rivalidad de las arquitecturas informáticas tradicionales, donde x86 y ARM luchan activamente hoy en día. Sin embargo, estas arquitecturas diferentes se realizan utilizando los mismos métodos y funcionan con los mismos componentes. En el caso descrito, dos arquitecturas competidoras se basan en sistemas físicamente completamente diferentes, en los que solo coinciden algunas reglas de trabajo. Este es un conjunto de condiciones completamente diferente y mucho más interesante.