El viaje hacia la construcción de un verdadero ordenador cuántico

La practicidad cuántica está en camino, pero todavía tiene un largo camino por recorrer.

Por James Clarke

Los últimos años han sido una época apasionante para la computación cuántica. Se han invertido miles de millones de dólares y no faltan defensores y detractores. La actividad y el impulso en toda la comunidad cuántica continúan creciendo. Como muestra de ello, muchos titulares recientes hablan del aumento del recuento de qubits, sistemas comercialmente viables, hojas de ruta y nuevas empresas. Algunos afirman que la verdadera comercialización está a la vuelta de la esquina.

A pesar de los desarrollos muy emocionantes en el campo, una máquina de más de 1 millón de qubits tolerante a fallos y verdaderos usos comerciales para la computación cuántica están a 10 a 15 años de la realidad. Y eso es para lograr la practicidad cuántica, el punto en el que los ordenadores cuánticos logran relevancia comercial al hacer algo significativo para cambiar nuestras vidas. Pero la pregunta no debe centrarse en cuándo llegamos a la comercialización, sino en si es posible algún tipo de ventaja cuántica utilizando dispositivos con 50 a unos pocos cientos de qubits y cómo es esa tecnología.

Kit de prensa: Intel Labs

A medida que la comunidad continúa avanzando con nuevas investigaciones, la industria necesita aumentar el recuento de qubits y mejorar la calidad de los qubits, moviéndose para producir miles de qubits de calidad, que aún está a varios años de distancia, y luego escalando a millones.

Los investigadores de Intel han estado trabajando para ofrecer un sistema cuántico comercial de pila completa durante los últimos seis años. Esto incluye la arquitectura qubit y la investigación de algoritmos, electrónica de control, interconexiones, cadenas de herramientas de software cuántico y compiladores, continuando con la capa de aplicación. Aprovechamos la profunda experiencia de la compañía en el diseño de transistores de silicio, la fabricación de alto volumen y las tecnologías avanzadas de fabricación para crear qubits de espín de silicio.

Los qubits de Intel son diferentes a otros enfoques en la industria. Si bien Intel no es la única compañía que trabaja en qubits de silicio, somos la única compañía que utiliza la misma línea de proceso para hacer nuestros qubits que nuestra tecnología lógica de vanguardia. Y dado que Intel se dedica al diseño de transistores y microcircuitos, la compañía tiene tecnología como el diseño asistido por ordenador (TCAD) para la creación de dispositivos. Esa misma capacidad aún no existe para el cuántico, pero la estamos desarrollando. Intel también difiere de otros desarrolladores de hardware cuántico porque habilitamos las piezas de pila completa internamente.

Creemos que este es el enfoque correcto. Si construimos qubits de espín de silicio en obleas de silicio y desarrollamos una tecnología de qubits que se parece a un transistor, podemos seguir la Ley de aceleración de Moore para construir un sistema a gran escala. Y aunque ha llevado varios años traducir un prototipo en el laboratorio en un proceso fabuloso, estamos llegando allí.

Hemos logrado avances significativos que incluyen:

  • Octubre de 2022: La producción en masa de qubits en obleas de silicio de 300 milímetros utilizando litografía ultravioleta extrema (EUV) en una fábrica de alto volumen nos permite colocar 10,000 pequeñas matrices de puntos cuánticos en una sola oblea.
  • Septiembre de 2022: El desarrollo de un kit de desarrollo de software (SDK) de pila completa, el SDK® Intel Quantum, permite a los desarrolladores interactuar con la pila de computación cuántica de Intel. El kit permite a los desarrolladores programar nuevos algoritmos cuánticos para ejecutar qubits en simulación y en hardware cuántico real en el futuro.
  • Abril 2022: Los primeros dispositivos de qubit de espín de silicio de la industria fabricados en el equipo de fabricación de investigación y desarrollo de 300 mm de Intel representan un paso crucial hacia la escala a los miles o potencialmente millones de qubits necesarios para un ordenador cuántico comercial. También muestra que la fabricación de chips cuánticos en las líneas de transistores establecidas de Intel es una estrategia ganadora, tanto en el número de qubits como en la calidad de los dispositivos.
  • Marzo 2021: El crioprober, un dispositivo de prueba para medir qubits y recopilar información en minutos sobre las fuentes de ruido cuántico y la calidad de los puntos cuánticos, permite a nuestro equipo recibir resultados de dispositivos cuánticos en horas en lugar de los días o semanas que había tomado.
  • Diciembre 2020: Aprovechando nuestra experiencia con semiconductores, creamos el chip de control cuántico criogénico Horse Ridge para ayudar a resolver los desafíos de interconexión asociados con la computación cuántica. Elimina gran parte del cableado que abarrota los refrigeradores de dilución que mantienen los qubits a las temperaturas frías que necesitan para funcionar.

¿Qué será lo siguiente en computación cuántica?

Cuando se trata de innovación cuántica, Intel no está sola. Otros proveedores cuánticos están trabajando para desarrollar sus propios chips y sistemas operativos específicos de cuántica. Hay progreso tecnológico, como bibliotecas de código abierto y nuevos procesadores qubit. La industria incluso ha comenzado a explorar cómo combinar hardware en una pila completa para ofrecer un servicio cuántico en la nube (pero el hardware debe existir primero).

Obviamente, los desafíos persisten.

Hay varios problemas con la computación cuántica hoy en día. La industria necesita mejores dispositivos qubit y qubits de mejor calidad. Independientemente del tipo de qubit, necesitamos mejores materiales.

Por ejemplo, necesitamos materiales aún más limpios con interfaces más nítidas que las que usamos hoy en día para nuestros procesos de transistores. Además, todavía no hemos visto a nadie proponer una tecnología de interconexión que sea más elegante que la forma en que conectamos los microprocesadores hoy en día.

Necesitamos un control más rápido y la capacidad de simplificar el cableado al tener los chips de control cointegrados cerca del chip qubit. Y, finalmente, necesitamos demostrar la corrección de errores para que podamos tener qubits más estables que puedan realizar los tipos de cálculos que eventualmente nos permitirán alcanzar la practicidad cuántica.

Para llegar allí, Intel prevé un futuro híbrido para la cuántica junto con la supercomputación clásica. En este momento, estamos limitados a trabajar con un número relativamente pequeño de qubits que podemos simular o ejecutar para que los algoritmos cuánticos puedan ser co-optimizados entre los componentes clásicos y los componentes cuánticos. Partes del algoritmo pueden ejecutarse en un sistema clásico con otros datos del sistema cuántico. Un ordenador cuántico a gran escala probablemente tendrá una pequeña supercomputadora al lado. Y la lista de materiales para una computadora cuántica puede tener más del espacio de computación clásica que del chip cuántico real.

¿Cuál será el próximo gran paso para toda la comunidad cuántica?

El próximo gran "salto cuántico" está probablemente a cinco años de distancia, cuando tengamos unos pocos miles de qubits y esencialmente podamos crear un qubit lógico. Pero incluso entonces, se necesitará más de un qubit lógico para hacer algo comercialmente relevante. Dicho esto, los avances están ocurriendo en el laboratorio y muestran una inmensa promesa de lo que podría ser posible. Para Intel, las colaboraciones en toda la industria, las comunidades de investigación y la academia han impulsado descubrimientos convincentes en el campo. Cuanto más exploramos, más aprendemos y cuanto más colaboramos, más rápido vamos.

Para obtener más información sobre el punto de vista de Intel en la carrera cuántica y el entusiasmo de la computación cuántica frente a las realidades, lee mi reciente artículo sobre IEEE Spectrum.

James Clarke es director of Quantum Hardware en Intel Corporation.