Las computadoras cuánticas pueden resolver tareas extremadamente complejas que superan con creces las capacidades de las supercomputadoras convencionales, pero desafortunadamente el estado cuántico es muy susceptible a la interferencia del entorno externo. Reducir esta interferencia es uno de los dos principales desafíos de la computación cuántica. El otro es construir hardware eficiente y escalable. Se han ideado muchas estrategias complejas de corrección de errores para resolver estos problemas.
interés en computación cuántica Esto se debe al considerable potencial informático de los bits cuánticos (qubits), que son muy difíciles de gestionar tanto en cantidad como en calidad. Quantum Machines está desarrollando un nuevo sistema destinado a optimizar el control de los sistemas cuánticos.
Quantum Machines ofrece una combinación de hardware y software tradicionales para controlar y operar procesadores cuánticos. La compañía lo llama Quantum Orchestration Platform (QOP). QOP tiene una interfaz de software para la programación.
Quantum Machines es una startup israelí dirigida por un grupo que incluye a Battery Ventures, TLV Partners, Harel Insurance Group y el inversionista israelí Avigdor Willenz, con una financiación total de $22,5 millones. Fue fundada por tres doctores en física (Itamar Sivan, Yonathan Cohen y Nissim Ofek). Ante los retos de la informática, han volcado su investigación hacia las tecnologías cuánticas.
“Siempre nos gusta comparar los procesadores cuánticos con músculos, músculos muy poderosos que pueden levantar pesos muy pesados en términos de competitividad, pero este poder es inútil por sí solo y hace una tarea admirable. Se necesita cerebro para hacerlo”, dice Itamar Sivan. . , cofundador y director ejecutivo de Quantum Machines. “Y eso es exactamente lo que desarrollamos para las computadoras cuánticas. Estamos desarrollando sistemas que hacen que los procesadores cuánticos funcionen para desarrollar su potencial”.
Las capacidades de la nueva plataforma QOP incluyen latencia de retroalimentación ultrabaja para aplicaciones que van desde la corrección de errores cuánticos hasta flujos de control generales de múltiples qubits, al tiempo que ofrece programación integral y procesamiento convencional en tiempo real.
Tabla de contenido
Qubits y corrección de errores cuánticos
Elementos básicos de la computación cuántica es un qubit. A diferencia de los bits convencionales, los qubits pueden superponer no solo los estados 0 o 1, sino ambas posibilidades. Además, en los procesadores cuánticos, puede haber más qubits en estados de superposición conectados entre ellos, hasta el punto de expresar un comportamiento grupal llamado entrelazamiento. Este estado de enredo es la base del tremendo poder computacional de las computadoras cuánticas y la fuente de su potencial para resolver tareas complejas más allá de las capacidades de las supercomputadoras convencionales.
La mala noticia es que la información cuántica es muy sensible a las perturbaciones ambientales. Esta y otras propiedades cuánticas requieren corrección de errores para obtener resultados útiles de los cálculos. Las operaciones requeridas para la corrección de errores no solo son muy complejas, sino que también deben evitar alterar la información cuántica.
Un campo magnético más débil determina la inversión del qubit (“bit flip”). Cambia sus probabilidades a |0⟩ y |1⟩ o determina la inversión de fase (“inversión de fase”) en comparación con otros qubits. Una relación entre dos estados.
Para las computadoras cuánticas, es una buena idea encontrar un esquema para proteger la información incluso si los qubits individuales están dañados. Además, estos esquemas requieren detección y corrección de errores sin la medición directa de los qubits. Esto se debe a que la medida colapsa la posibilidad de coexistencia de qubits.
La corrección de errores cuánticos es fundamental para la mayoría de los proyectos de computadoras cuánticas porque ayuda a preservar los frágiles estados cuánticos de los que depende la computación cuántica.
Sin embargo, cuando se realizan mediciones en los qubits, el estado de superposición colapsa y los qubits tienen un valor definido. La clave para diseñar algoritmos cuánticos es manipular el estado cuántico de los qubits para que cuando las condiciones superpuestas colapsen, el resultado (con alta probabilidad) sea la solución al problema.
Hablando de control de qubit, también mencionamos el tema del sobrecalentamiento. Para evitar esto, las máquinas cuánticas en funcionamiento generalmente se mantienen en un ambiente refrigerado cerca del cero absoluto. Investigadores anteriores han podido resaltar el potencial de estas computadoras centrándose en la construcción de sistemas individuales de “demostración” cuántica. Esto requería el uso de herramientas informáticas tradicionales (aunque poderosas) y el uso de refrigeradores criogénicos para mantener el rendimiento. La temperatura de la computadora es baja.
Por lo general, se requieren cientos o miles de cables para conectar una computadora a un enfriador y controlar un qubit a la vez. Este es un enredo que impide la creación de sistemas cuánticos más grandes que constan de cientos o miles de qubits, sistemas capaces de realizar cálculos mucho más complejos. .
plataforma cuántica
Mientras que las computadoras clásicas consisten en hardware y software, las computadoras cuánticas son esencialmente máquinas híbridas que combinan capacidades clásicas y cuánticas para administrar dispositivos cuánticos. Las posibilidades informáticas se encuentran en los procesadores cuánticos. Sin embargo, ejecutar un procesador cuántico requiere un hardware convencional dedicado que envíe pulsos electromagnéticos a los qubits para realizar operaciones matemáticas en ellos.
Gran parte del interés de la industria se ha centrado en los procesadores cuánticos reales, pero a medida que estas máquinas se vuelven más poderosas, la parte clásica, el sistema de transformación de comandos digitales utilizado en el mundo analógico de la computación cuántica, se está convirtiendo en un cuello de botella.
Plataforma de orquestación cuántica
Quantum Machines ha construido su propio sistema de pulso personalizado que puede manejar operaciones de múltiples qubits mientras es independiente de los procesadores cuánticos que interactúan.
“Siempre digo que si tuviéramos un procesador cuántico con 300 qubits, podríamos almacenar una cantidad increíble de información”, dijo Sivan. “Para almacenar la misma cantidad de información en un procesador convencional, se necesitarían más transistores convencionales que átomos hay en el universo. Es el hecho de que la complejidad de las escalas exponencialmente con la cantidad de qubits, lo que no es el caso de los sistemas clásicos. .
“Por un lado, es el sistema clásico que usamos para hacer que los sistemas cuánticos funcionen con procesadores cuánticos”, agregó. “Entonces, esta es la razón subyacente: incluso si tiene un buen procesador cuántico con cientos de qubits hoy, no significa que pueda ejecutar algoritmos complejos encima de él. Podría decirse que no puede hacer mejores funciones como la coherencia”. significa que tenemos cientos de qubits con nosotros, y la razón principal es esta discrepancia entre el sistema cuántico que controlamos y el sistema cuántico que queremos ejecutar algoritmos en el sistema clásico que lo controla”.
Dentro de un procesador convencional encontrarás muchos transistores que no están dispuestos al azar. Están interconectados de una manera muy específica para incorporar la lógica del procesador. “Por ejemplo, puedes hacer un multiplicador, o si conectas más transistores, puedes hacer una red neuronal”, dice Sivan.
Un procesador tradicional contiene datos y toda la lógica. Los procesadores cuánticos funcionan de manera muy diferente. Se puede pensar en un procesador cuántico como una memoria gigante. Si quieres aplicarle operaciones lógicas, tienes que enviar un impulso. Cada impulso que envíes al procesador cuántico será una operación lógica. Se puede pensar en esto como tener un tren de pulsos que golpean qubits y cómo estos pulsos golpean qubits y ejecutan algoritmos en procesadores cuánticos.
“Ahora estamos trabajando para escalar la corrección de errores cuánticos cada vez más, hasta miles de qubits y más”, dijo Sivan. “Entonces, ejecutar los algoritmos cuánticos más complejos en los procesadores cuánticos de próxima generación presenta una serie de desafíos de ingeniería eléctrica”.
Sivan dijo que las empresas multinacionales y los institutos de investigación más grandes que trabajan en computación cuántica están trabajando con Quantum Machines para adoptar su plataforma. Las empresas e instituciones que desarrollan procesadores cuánticos ahora pueden comprar plataformas de orquestación cuántica para ejecutar los algoritmos más complejos posibles.
lenguaje de programación para computación cuántica
La interfaz de software básica es QUA, su ensamblador cuántico. Usando QUA, el lenguaje de programación de computación cuántica de nivel de pulso de QM, QOP convierte el código tradicional en un lenguaje ensamblador cuántico para que pueda ejecutarse en cualquier procesador cuántico.
“Hoy en día, hay muchos lenguajes de programación, como C, que se utilizan para programar computadoras cuánticas”, dijo Sivan. “Lo que tiene más sentido en los próximos años es usar un lenguaje de bajo nivel diseñado específicamente para computadoras cuánticas, y eso es lo que creó QUA. El lenguaje QUA no es como un ensamblador, es un lenguaje de bajo nivel en el sentido de que en realidad estás programando las operaciones lógicas más básicas de un procesador cuántico, así como las operaciones lógicas más básicas de un procesador convencional. Es básicamente el lenguaje más bajo para una computadora cuántica. Y, por supuesto, nuestro objetivo es estandarizarlo, y es uno de los principales candidatos para convertirse en el estándar para las computadoras cuánticas”.
Sivan aclaró que el código de ensamblaje de Quantum Machines es específico de QOP y solo funcionará en el hardware de QOP. Sin embargo, QOP puede integrarse en cualquier computadora cuántica y, gracias a un compilador o transpilador, puede usarse a través del lenguaje de programación de Quantum Machines o cualquier otro lenguaje de programación, agregó.
Las plataformas de orquestación cuántica parecen ser un middleware esencial que facilita la programación de computadoras cuánticas.
Criptografía cuántica e IA
La computación cuántica podrá resolver muchos de los cifrados en uso hoy en día, como RSA. “RSA es un protocolo que puede ser pirateado incluso por computadoras convencionales, pero lleva una gran cantidad de tiempo”, dijo Sivan. “Se cree que las computadoras cuánticas pueden realizar exactamente la misma tarea en cuestión de minutos, subvirtiendo el protocolo de cifrado RSA estándar que tenemos. Necesitamos una computadora cuántica potente”.
El uso de algoritmos cuánticos en tecnología de IA mejorará la capacidad de aprendizaje de la máquina. En el campo de la seguridad informática, a medida que las computadoras se vuelven más inteligentes y rápidas, el código se vuelve más fácil de descifrar. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de mecanismos criptográficos más avanzados como los que promete la criptografía cuántica.
La IA también puede ayudar a crear nuevos algoritmos que pueden corregir errores lógicos y cuánticos, descubrir aspectos de la mecánica cuántica que aún no se comprenden y crear estructuras de hardware nuevas y más eficientes.
La IA también puede corregir errores cuánticos. Para solucionarlos, los investigadores del Instituto Max Planck utilizaron el mismo algoritmo que el programa de inteligencia artificial de Google DeepMind, AlphaGo, que utilizó anteriormente para aprender a jugar Go para vencer al campeón mundial. Se realizó un estudio utilizando la estrategia. En este caso, un juego llamado Quantum Go se trata de mantener el estado de los qubits. Una inteligencia artificial llamada Alice desafía a un oponente imaginario que hará todo lo posible para inducir un error en una computadora cuántica y destruir el estado del qubit. Alice debe encontrar el movimiento correcto para evitarlo.
este artículo Publicado originalmente en la publicación hermana EE Times.