IBM anunció una nueva arquitectura modular para los sistemas criogénicos utilizados en sus computadoras cuánticas superconductoras, en un paso destinado a superar las limitaciones de ampliar los procesadores cuánticos de un solo chip. El diseño se basa en celdas de refrigeración independientes que pueden conectarse una junto a otra, lo que permite transmitir información entre varios procesadores mediante enlaces cuánticos y tradicionales, en lugar de limitar las operaciones a un único procesador.
Las computadoras cuánticas superconductoras de IBM funcionan a temperaturas inferiores a las del espacio exterior, lo que requiere refrigeradores de dilución (dilution refrigerators) y barreras térmicas especializadas para mantener estables los estados cuánticos durante el tiempo suficiente para ejecutar los cálculos. La empresa considera que aumentar el número de cúbits no requiere únicamente procesadores más grandes, sino también una arquitectura de refrigeración capaz de alojar varios procesadores y conectarlos manteniendo la estabilidad térmica.
De las estructuras cilíndricas a las celdas conectables
Los sistemas cuánticos actuales suelen colocarse dentro de recipientes cilíndricos aislados al vacío, un enfoque que permitió a IBM pasar de la primera computadora cuántica disponible a través de la nube en 2016, que contaba con cinco cúbits, al procesador IBM Quantum Condor, presentado en 2023 con más de 1000 cúbits. Sin embargo, la ampliación en un solo chip enfrenta limitaciones relacionadas con el espacio, la generación de calor y las interferencias no deseadas entre los cúbits.
En cambio, las nuevas celdas tienen forma de caja y están fabricadas con paneles y estructuras de aluminio. Cada celda incluye un entorno de refrigeración completo, con una cámara de vacío, equipos de refrigeración y sus propias barreras térmicas, mientras que unas aberturas específicas permiten pasar los cables cuánticos hacia las celdas adyacentes. Colocar las celdas juntas ayuda a acortar las rutas de conexión en comparación con los enlaces largos entre recipientes cilíndricos.
¿Qué cambia en la práctica?
Las capas de protección térmica están diseñadas para limitar la interacción térmica entre las celdas adyacentes. Según IBM, los tiempos de refrigeración y la estabilidad de las temperaturas deberían mantenerse similares al añadir nuevas celdas, lo que permite ampliar el sistema sin afectar el rendimiento de los cálculos. El sistema también puede actualizarse celda por celda, en lugar de rediseñar toda la arquitectura de refrigeración al incorporar nuevos procesadores o componentes electrónicos cuánticos.
La superficie disponible para el cableado en cada celda es de aproximadamente 0,53 metros cuadrados, y el volumen de la cámara de vacío alcanza los 2,75 metros cúbicos, mientras que el volumen de la celda equivale aproximadamente a tres veces el de un refrigerador de cocina típico. Este espacio ofrece margen para procesadores más grandes y configuraciones más densas, además de alojar un mayor número de conexiones y componentes electrónicos dentro del entorno frío.
Un paso hacia sistemas cuánticos tolerantes a fallos
IBM probó la nueva arquitectura en la práctica mediante el funcionamiento de dos celdas de refrigeración conectadas en sus instalaciones de Poughkeepsie, Nueva York. La empresa considera que este experimento constituye una validación inicial del enfoque necesario para construir sistemas cuánticos de múltiples chips, capaces de distribuir las tareas entre procesadores conectados o funcionar como un sistema unificado de mayor capacidad.
IBM sitúa esta arquitectura en el camino hacia IBM Quantum Starling, que describe como la primera computadora cuántica tolerante a fallos y que espera para 2029. También prevé que las futuras versiones de una sola celda admitan al menos 2000 cúbits. Estos sistemas permitirán a los investigadores probar componentes de la arquitectura cuántica modular de IBM, incluidos los conectores l-couplers, presentados por primera vez en 2024 para conectar unidades de procesamiento cuántico a una distancia de hasta un metro.