IBM sigue avanzando en la corrección de errores en sistemas cuánticos

Los expertos de IBM son conscientes de que todavía habrá que esperar varios años para poder realizar cálculos cuánticos sofisticados de manera consistente. Para ello es necesario que se desarrolle computación cuántica con sus errores corregidos, y es poco probable que suceda antes de 2030. Pero en la compañía creen que ya es posible realizar cálculos limitados, aunque útiles, utilizando sistemas cuánticos. Por eso acaba de anunciar varias novedades centradas en hacerlo posible.

Se trata de cambios que, puestos en conjunto, mejoran de manera significativa tanto el hardware como el software cuántico que tenían disponible, y permiten conseguir operaciones más eficientes y menos propensas a errores. El resultado es un sistema capaz de realizar los cálculos más complejos vistos hasta la fecha utilizando hardware de IBM, lo que hace que sean optimistas de cara a que los usuarios de sus sistemas cuánticos descubran cálculos en los que el hardware cuántico ofrezca ventajas.

La compañía, tal como recuerda Ars Technica, fue una de las primeras en alcanzar los 1.000 qubits, pero cada uno de ellos tenía una tasa de error que hacía que los algoritmos que intentaban utilizar todos los qubits en un único cálculo producirían un error sin poder evitarlo.

Desde entonces, IBM se ha centrado en la mejora del rendimiento de procesadores más pequeños, y lo que ahora ha anunciado parte de la presentación de la segunda versión de su procesador Heron, que tiene 156 qubits. Aunque tiene menos potencia, sigue estando por encima de la de los ordenadores convencionales, y además debería poder funcionar con una tasa de errores lo bastante baja como para poder realizar cálculos.

El desarrollo de Heron 2 se ha centrado en eliminar los conocidos como errores de sistema a dos niveles, o TLS. Son los fallos a los que IBM culpa de las limitaciones en la coherencia de sus sistemas, que llega cuando los defectos pueden resonar a una frecuencia capaz de interactuar con un qubit que esté cerca, y este pierde entonces el estado cuántico que necesita para participar en los cálculos. Es decir, se produce una pérdida de coherencia.

Estos problemas pueden evitarse haciendo pequeños ajustes a la frecuencia a la que operan los qubits, algo que es posible hacer cuando el chip Heron está siendo calibrado antes de abrirse al uso general.

Por otro lado, IBM ha reescrito también el software encargado de controlar el sistema mientras está en funcionamiento. Como consecuencia, han conseguido acelerar los cálculos que realizan, y que en algunos casos pasasen de tardar en completarse 122 horas a solo un par.

Esto es bueno para los clientes, ya que pagan por el tiempo que están utilizando el hardware. Además, dado que algunos errores ocurren aleatoriamente, cuanto menos tiempo se emplee en realizar un cálculo, menos posibilidades hay de que aparezcan errores.

Eso sí, a pesar de las mejoras, todavía aparecen errores en cálculos significativos, lo que hace que IBM siga trabajando para desarrollar qubits corregidos frente a errores. Es decir, se está centrando en lo que denomina mitigación de errores. El problema es que el método que han desarrollado para hacerlo, una función de reducción del ruido del procesador a distintos niveles, es una tarea muy compleja computacionalmente hablando. Esa dificultad, además, crece con el número de qubits.

Por eso, aunque hacer cálculos de mitigación de errores que simulen el comportamiento del ordenador en el mismo hardware es más sencillo, existe el riesgo de que sean computacionalmente intratables. Pero IBM ha tomado medidas para optimizar el proceso y evitar que esto suceda, a través de mejoras algorítmicas. Pero tampoco quiere decir que las dificultades propias de la mitigación de errores desaparezcan. Eso sí, permiten que el método pueda utilizarse con circuitos cuánticos mayores antes de que los errores conviertan los cálculos en inutilizables para trabajar con ellos.

Combinando todas estas técnicas, IBM ha empleado esta configuración de reducción de errores para modelar un sistema cuántico sencillo al que ha llamado Modelo Ising. Este modelo produjo resultados razonables después de realizar 5.000 operaciones cuánticas individuales conocidas como puertas.

Es un resultado tan aceptable como para que los investigadores estén empezando a emplear el hardware de estos cálculos para simular la estructura electrónica de ciertos compuestos químicos simples, como los compuestos de sulfuro de hierro. Esto también indica que la computación cuántica se está convirtiendo en una herramienta científica viable.

Eso sí, desde IBM señalan que esto no quiere decir que estemos ya en un punto en el que los ordenadores cuánticos puedan superar al hardware clásico de manera clara y consistente. Para conseguirlo es necesario superar al mejor método clásico posible con el cuántico, es algo que necesita una iteración. Es decir, hay que ir probando métodos cuánticos distintos para ir superando el clásico. Calculan que faltan unos dos años para conseguirlo, pero al ser un proceso iterativo, no hay previsiones concretas sobre cuándo se logrará.