AWS Ocelot, un chip diseñado de cero para integrar corrección de errores cuánticos

Amazon Web Services ha lanzado Ocelot, un chip de computación cuántica diseñado para facilitar la rebaja de los costes de implementación para la corrección cuántica de errores hasta en un 90% con respecto a los enfoques actuales. Desarrollado en el Instituto Tecnológico de California por el equipo de Computación cuántica de AWS, Ocelot es, por sus características, un chip que representa un avance en la búsqueda de la construcción de ordenadores cuánticos tolerantes a fallos y que sean capaces de resolver problemas de relevancia empresarial y científica que actualmente quedan fuera del alcance de los ordenadores convencionales.

El diseño de la arquitectura de Ocelot incorpora la corrección de errores desde cero, y utiliza el conocido como «qubit gato». Este tipo de qubit, llamados así por el famoso experimento mental del gato de Schrödinger, se caracteriza por suprimir de forma intrínseca ciertas formas de error, lo que reduce los recursos que se necesitan para realizar la corrección cuántica de errores.

Al utilizar un nuevo enfoque en el diseño de Ocelot, los investigadores de AWS han empleado la tecnología de qubits de gato por primera vez. La han combinado con varios componentes de corrección de errores cuánticos adicionales en un microchip, que se caracteriza porque pueden fabricarse de manera escalable utilizando procesos procesos propios del sector de la microelectrónica.

AWS Ocelot consta de dos microchips de silicio integrados, cada uno de una superficie aproximada  de un centímetro cuadrado, superpuestos en una pila de chips conectados eléctricamente. En la superficie de cada uno de los microchips, de silicio, hay capas finas de materiales superconductores que forman los elementos del circuito cuántico.

Los circuitos de Ocelot están compuestos por 14 componentes: 5 qubits de datos, los conocidos como qubits gato. Otros cinco circuitos «tampón», encargados de estabilizar los circuitos de datos, y otros cuatro qubits adicionales para detectar errores en los qubits de datos.

Los qubits gato se encargan de almacenar los estados cuánticos empleados en la computación. Para ello se basan en unos componentes llamados osciladores, que generan una señal eléctrica repetitiva y que tiene una temporización constante. Estos osciladores están fabricados con una película fina superconductora, de un material llamado tántalo. Los investigadores de materiales de AWS han desarrollado una forma específica de procesar el tántalo en el chip de silicio para que el rendimiento de los osciladores aumente.

Un diseño con corrección cuántica de errores desde cero

Ocelot consigue también, gracias a su diseño, resolver uno de los principales retos de la computación cuántica: la elevada sensibilidad de los ordenadores cuánticos a los cambios más pequeños de su entorno, conocidos como ruidos. Entre las variables que pueden el estado cuántico de los qubits están las vibraciones, el calor, las interferencias electromagnéticas de los teléfonos móviles y las redes WiFi. También los rayos cósmicos y la radiación del espacio exterior.

Esto supone un problema para la computación cuántica, puesto que pueden sacar a los qubits de su estado cuántico y provocar errores en el cálculo que se esté realizando cuando suceda una interferencia de este tipo. Hasta ahora esto ha supuesto uno de los mayores obstáculos para la construcción de ordenadores cuánticos capaces de llevar a cabo cálculos, fiables y sin errores, de un nivel elevado de complejidad.

Para solucionar este problema, los ordenadores cuánticos utilizan sistemas de corrección cuántica de errores. Esta emplea codificaciones especiales de la información cuántica en múltiples qubits, en forma de qubits lógicos, para proteger la información cuántica del entorno.

De esta manera también es posible detectar y corregir los errores a medida que se vayan produciendo. Pero por desgracia, dado que se necesita una gran cantidad de qubits para conseguir resultados precisos, los métodos actuales de corrección cuántica de errores tienen un coste excesivamente elevado, que se considera prácticamente prohibitivo.

Según Oskar Painter, Director de hardware cuántico de AWS, el mayor reto al que se enfrentan los expertos e investigadores en computación cuántica no es construir más qubits, sino hacer que funcionen de forma fiable, por barreras como la que acabamos de mencionar. Ocelot se ha desarrollado con corrección de errores integrada precisamente para abordar los problemas asociados a la corrección cuántica de errores.

Según Painter, los investigadores que lo han desarrollado observaron «cómo abordaban otros la corrección cuántica de errores y decidimos tomar un camino diferente», explica Painter. «No tomamos una arquitectura ya existente e intentamos incorporarle después la corrección de errores. Elegimos nuestro qubit y nuestra arquitectura con la corrección cuántica de errores como requisito principal. Creemos que, si vamos a fabricar ordenadores cuánticos prácticos, la corrección cuántica de errores debe ser lo primero«.

Painter también apunta que la ampliación de Ocelot «a un ordenador cuántico completo capaz de tener un impacto social transformador requeriría tan sólo una décima parte de los recursos asociados a los enfoques estándar de corrección de errores cuánticos«. Otra ventaja de este chip con respecto a otros chips cuánticos convencionales.

Ocelot necesita menos recursos para la corrección cuántica de errores

Podemos ver la corrección cuántica en el contexto del control de calidad en la fabricación, y la diferencia entre necesitar un punto de inspección para detectar todos los defectos, en vez de necesitar una decena para ello. Con Ocelot pasa algo parecido, ya que ofrece el mismo resultado que otros chips en términos de corrección de errores de computación cuántica, pero necesita muchos menos recursos para ello. Además, también han conseguido mejorar de forma general el proceso de fabricación de este tipo de chips.

Al rebajar la cantidad de recursos necesarios para fabricar un chips cuántico utilizando este nuevo diseño con Ocelot, los ordenadores cuánticos se pueden construir para que sean más pequeños, y que además tengan mayor fiabilidad. Todo por un coste menor que con un diseño convencional de chips cuánticos.

Este nuevo enfoque empleado con Ocelot, además, acelera el camino hacia el uso de la computación cuántica en aplicaciones futuras para el mundo real. Entre ellas, el descubrimiento y desarrollo de fármacos con más agilidad, la producción de nuevos materiales, la capacidad de realizar predicciones más precisas sobre riesgo y estrategias de inversión en mercados financieros.

Eso sí, a pesar de que las características de Ocelot, y lo que promete, no hay que olvidar que este chip es todavía un prototipo que puede seguir evolucionando. A este respecto, AWS se compromete a seguir invirtiendo en investigación cuántica y perfeccionando el enfoque empleado en la construcción del chip.

Sobre esto, Painter señala que en AWS no han hecho mas que empezar, y que creen que tienen que superar todavía varias etapas más de escalado, porque el diseño de chips de computación cuántica, y la construcción de ordenadores cuánticos «es un problema muy difícil de abordar y tendremos que seguir invirtiendo en investigación básica, al tiempo que nos mantenemos conectados y aprendemos del importante trabajo que se realiza en el mundo académico. Ahora mismo, nuestra tarea consiste en seguir innovando en toda la pila de computación cuántica, seguir examinando si estamos utilizando la arquitectura adecuada e incorporar estos aprendizajes a nuestros esfuerzos de ingeniería. Es una rueda de mejora y escalado continuos«.

Por ahora, quienes quieran saber más sobre Ocelot pueden echar un vistazo al artículo que han publicado con sus descubrimientos los miembros del equipo de desarrollo del chip en la revista Nature.