¿Cómo será un centro de datos cuánticos?

¿Cómo será un centro de datos cuánticos?


IBM ha actualizado su hoja de ruta de computación cuántica para mostrar cómo los procesadores cuánticos, las unidades centrales de procesamiento (CPU) y las unidades de procesamiento de gráficos (GPU) se entrelazan en una estructura computacional capaz de resolver problemas computacionalmente complejos.

«Creemos que hemos encontrado lo que se necesita para convertir las computadoras cuánticas en las llamadas supercomputadoras centradas en cuánticas», dijo Jay Gambetta, miembro de IBM y vicepresidente de computación cuántica de IBM.

Sobre la base de su hoja de ruta existente, IBM ha presentado un procesador Heron de 133 qubit, planificado para 2023, con puertas rediseñadas y acopladores ajustables para mejorar la velocidad y la confiabilidad.

«También nos estamos preparando para la posibilidad de controlar múltiples procesadores Heron con el mismo hardware de control, lo que permitirá que las computadoras cuánticas tengan comunicación clásica entre cada procesador», dijo Gambetta. «Heron permitirá la paralelización clásica entre chips cuánticos».

IBM también ha estado trabajando en un acoplador de chip a chip para realizar puertas de dos qubits entre qubits en diferentes chips. Según Gambetta, IBM planea lanzar un producto mínimo viable en 2024 que demuestre esta tecnología: un procesador de 408 qubits basado en la tecnología Heron llamado Crossbill, que consta de tres chips conectados por este acoplador modular.

“Nuestro objetivo es hacer que los usuarios sientan que solo están usando un procesador más grande”, agregó.

Según Gambetta, IBM también planea introducir comunicación cuántica de mayor alcance entre chips en 2024 y crear grupos de procesadores cuánticos utilizando un acoplador de largo alcance para conectar chips qubit a través de un cable criogénico de aproximadamente un metro de largo.

“Lanzaremos una demostración de esta arquitectura conectando al menos tres procesadores de 462 qubits, cada uno llamado Flamingo, en un sistema de 1386 qubits. Anticipamos que este acoplador de larga distancia será más lento y menos fiel que nuestras puertas en chip, ya que es un cable físico. Nuestro software debe tener en cuenta esta consideración arquitectónica para que nuestros usuarios aprovechen al máximo este sistema”, dijo Gambetta.

Kookaburra será el próximo procesador cuántico. Según IBM, Kookaburra 2025 será un procesador multichip de 1386 qubit con soporte para enlaces de comunicación cuántica para paralelización cuántica. Como demostración, Gamebtta dijo que IBM planea conectar tres chips Kookaburra en un sistema de 4158 qubits vinculado por comunicaciones cuánticas.

IBM también ha estado trabajando en el lado del software de la computación cuántica para lograr ventajas cuánticas más rápido a través de un enfoque híbrido. En efecto, un problema se descompone en una serie de programas cuánticos y clásicos más pequeños. Luego se utiliza una capa de orquestación para ensamblar los flujos de datos en un flujo de trabajo general. IBM llama al enfoque Quantum Serverless.

«Quantum Serverless se enfoca en permitir combinaciones flexibles de recursos cuánticos-clásicos sin requerir que los desarrolladores sean expertos en hardware e infraestructura, y asigna exactamente los recursos informáticos que un desarrollador necesita cuando los necesita», dijo Gambetta. «En 2023, planeamos integrar Quantum Serverless en nuestra pila de software central para habilitar funciones centrales como el tejido de circuitos».

Katie Pizzolato, directora de Quantum Strategy and Applications Research en IBM, habló sobre los desafíos de conectar sistemas de computación cuántica: «El desafío con la escalabilidad es que hay un límite para la cantidad de qubits que puede colocar en un dispositivo y cómo se conectan entre sí. para habilitar un sistema de 4158 qubits”.

Ella dijo que entre 300 y 400 sistemas qubit podrían conectarse entre sí utilizando la tecnología de acoplamiento corto desarrollada por IBM. El acoplamiento largo debe ser lo suficientemente rápido para garantizar que el rendimiento de la aplicación no se vea gravemente limitado por la conectividad más lenta entre clústeres de sistemas de 300 a 400 qubits.

«La idea es poner la mayor cantidad de hardware posible en el mismo refrigerador que pueda contener 1.000 qubits», agregó Pizzolato.

Quantum System Two de IBM, presentado en noviembre de 2021, es el primer ejemplo de cómo se puede construir un sistema a escala utilizando un diseño modular. Dada la restricción de un metro en la conectividad entre los sistemas qubit, los grupos de sistemas podrían organizarse de forma cilíndrica, con cada cilindro que contiene un refrigerador que contiene una fila de sistemas interconectados de 300-400 qubit.

«Para 2025, habremos eliminado de manera efectiva las principales limitaciones en el escalado de procesadores cuánticos con hardware cuántico modular y electrónica de control asociada e infraestructura criogénica», dijo Pizzolato. «Avanzar en la modularidad tanto en nuestro software como en nuestro hardware será clave para lograr una escala mucho mayor que la de nuestros competidores».

Al igual que cuando los servidores blade cambiaron el diseño, la alimentación y las necesidades de refrigeración de los centros de datos, IBM ya estaba pensando en cómo sería un futuro centro de datos híbrido para la computación clásica y cuántica.

“Nuestra experiencia nos dice que los requisitos de un centro de datos cuántico son muy similares a los de un centro de datos clásico, con soluciones direccionables para albergar equipos criogénicos”, dijo Pizzolato.

“Los aspectos clave del diseño del centro de datos, como los requisitos de energía y agua de enfriamiento, los requisitos de espacio y la estandarización de la infraestructura y los elementos del sistema, son una parte integral de nuestro proceso de pensamiento. Hemos podido utilizar nuestra amplia experiencia en el diseño de sistemas y centros de datos para avanzar rápidamente con el diseño de nuestros centros cuánticos”.

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