La máquina propuesta, denominada Starling, consistirá en una red de módulos, cada uno de los cuales contiene un conjunto de chips, alojados en un nuevo centro de datos en Poughkeepsie, Nueva York (EE UU). "Ya hemos empezado a construir el espacio", afirma Jay Gambetta, vicepresidente de cuántica de IBM.
IBM afirma que Starling supondrá un salto adelante en la computación cuántica. En concreto, la empresa pretende que sea la primera máquina a gran escala que aplique la corrección de errores. Si Starling lo consigue, IBM habrá resuelto posiblemente el mayor obstáculo técnico al que se enfrenta el sector en la actualidad para superar a competidores como Google, Amazon Web Services y startups más pequeñas como QuEra, con sede en Boston, y PsiQuantum, de Palo Alto (Califo ia).
IBM, igual que el resto de la industria, tiene años de trabajo por delante. Pero Gambetta cree que tiene ventaja porque dispone de todos los elementos necesarios para crear capacidades de corrección de errores en una máquina a gran escala. Esto implica mejoras en todos los aspectos, desde el desarrollo de algoritmos hasta el empaquetado de los chips. "Hemos descifrado el código de la corrección cuántica de errores y ahora hemos pasado de la ciencia a la ingeniería", afirma.
Corregir errores en un ordenador cuántico ha sido un reto para la ingeniería, debido a la forma única en que las máquinas procesan los números. Mientras que los ordenadores clásicos codifican la información en forma de bits, o 1 y 0 binarios, los ordenadores cuánticos utilizan qubits, que pueden representar "superposiciones" de ambos valores a la vez. IBM construye qubits a partir de diminutos circuitos superconductores, mantenidos cerca del cero absoluto, en una disposición interconectada en chips. Otras empresas han construido qubits con otros materiales, como átomos neutros, iones y fotones.
Los ordenadores cuánticos a veces cometen errores, como cuando el hardware opera sobre un qubit pero accidentalmente también altera un qubit vecino que no debería participar en el cálculo. Estos errores se acumulan con el tiempo. Sin corrección de errores, los ordenadores cuánticos no pueden ejecutar con precisión los complejos algoritmos que se espera que sean la fuente de su valor científico o comercial, como las simulaciones químicas extremadamente precisas para descubrir nuevos materiales y fármacos.
Pero la corrección de errores requiere una importante sobrecarga de hardware. En lugar de codificar una sola unidad de información en un único qubit "físico", los algoritmos de corrección de errores codifican una unidad de información en una constelación de qubits físicos, denominados colectivamente "qubit lógicos".
Actualmente, los investigadores en computación cuántica compiten por desarrollar el mejor esquema de corrección de errores. El algoritmo de código de superficie de Google, aunque eficaz para corregir errores, requiere del orden de 100 qubits para almacenar un solo qubit lógico en la memoria. El ordenador cuántico Ocelot de AWS utiliza un esquema de corrección de errores más eficiente que requiere nueve qubits físicos por qubit lógico en memoria. (El algoritmo de corrección de errores de IBM, conocido como código de comprobación de paridad de baja densidad, permitirá utilizar 12 qubits físicos por qubit lógico en memoria, una proporción comparable a la de AWS.
Una característica distintiva del diseño de Starling será su capacidad prevista para diagnosticar errores, lo que se conoce como descodificación, en tiempo real. La descodificación consiste en determinar si una señal medida por el ordenador cuántico corresponde a un error. IBM ha desarrollado un algoritmo de descodificación que puede ejecutarse rápidamente mediante un tipo de chip convencional conocido como FPGA. Este trabajo refuerza la "credibilidad" del método de corrección de errores de IBM, afirma Neil Gillespie, de la start-up británica de computación cuántica Riverlane.
Sin embargo, otros esquemas de corrección de errores y diseños de hardware aún no están descartados. "Aún no está claro cuál será la arquitectura ganadora", afirma Gillespie.
IBM pretende que Starling pueda realizar tareas computacionales más allá de la capacidad de los ordenadores clásicos. Starling tendrá 200 qubits lógicos, que se construirán con chips de la empresa. Debería ser capaz de realizar 100 millones de operaciones lógicas consecutivas con precisión; los ordenadores cuánticos existentes sólo pueden hacerlo con unos pocos miles.
El sistema demostrará la corrección de errores a una escala mucho mayor que cualquier otra cosa hecha antes, afirma Gambetta. Las anteriores demostraciones de corrección de errores, como las realizadas por Google y Amazon, implican un único qubit lógico, construido a partir de un único chip. Gambetta los califica de "experimentos de artilugio": "Son a pequeña escala".
Aun así, no está claro si Starling será capaz de resolver problemas prácticos. Algunos expertos creen que se necesitan mil millones de operaciones lógicas con corrección de errores para ejecutar cualquier algoritmo útil. Starling representa "un interesante régimen de paso", afirma Wolfgang Pfaff, físico de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (EE UU), que apunta: "Es poco probable que genere valor económico". (Pfaff, que estudia el hardware de computación cuántica, ha recibido fondos de investigación de IBM, pero no participa en Starling).
El calendario de Starling parece factible, según Pfaff. El diseño está "basado en la realidad experimental y de ingeniería", afirma. "Han ideado algo que parece bastante convincente". Pero construir un ordenador cuántico es difícil, y es posible que IBM se encuentre con retrasos debidos a complicaciones técnicas imprevistas. "Es la primera vez que alguien lo hace", dice refiriéndose a la fabricación de un ordenador cuántico a gran escala con corrección de errores.
La hoja de ruta de IBM pasa por construir primero máquinas más pequeñas antes de Starling. Este año tiene previsto demostrar que la información corregida de errores puede almacenarse sólidamente en un chip llamado Loon. El año que viene, la empresa construirá Kookaburra, un módulo que puede almacenar información y realizar cálculos. Para finales de 2027, tiene previsto conectar dos módulos del tipo Kookaburra para crear un ordenador cuántico más grande, Cockatoo. Tras demostrarlo con éxito, el siguiente paso será ampliarlo y conectar unos 100 módulos para crear Starling.
Esta estrategia, según Pfaff, refleja la reciente adopción por parte de la industria de la "modularidad" a la hora de ampliar los ordenadores cuánticos, es decir, la interconexión de varios módulos para crear un ordenador cuántico mayor en lugar de colocar los qubits en un único chip, como hacían los investigadores en diseños anteriores.
IBM también mira más allá de 2029. Después de Starling, planea construir otro, Blue Jay. ("Me gustan los pájaros", dice Gambetta.) Blue Jay contendrá 2000 qubits lógicos y se espera que sea capaz de realizar mil millones de operaciones lógicas.