¿Cómo será un centro de datos cuántico?

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

“Creemos que hemos encontrado lo que se necesita para convertir las computadoras cuánticas en lo que llamamos supercomputadoras centradas en la cuántica”, 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 qubits, programado para 2023, que tiene puertas rediseñadas y acopladores ajustables para mejorar la velocidad y la confiabilidad.

“También nos estamos preparando para la capacidad de controlar múltiples procesadores Heron con el mismo hardware de control, lo que permitirá la computación cuántica con 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 ejecutar puertas de dos qubits entre qubits en diferentes chips. Gambetta dijo que IBM planeaba lanzar un producto mínimo viable en 2024 que demostrara esta tecnología: un procesador de 408 qubits, basado en la tecnología Heron, llamado Crossbill, que está hecho de tres chips unidos por este acoplador modular.

“Nuestro objetivo es que los usuarios se sientan como si estuvieran usando un solo procesador más grande”, agregó.

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

“Lanzaremos una demostración de esta arquitectura al vincular al menos tres procesadores de 462 qubits, cada uno llamado Flamingo, en un sistema de 1386 qubits. Esperamos que este acoplador de largo alcance sea más lento y de menor fidelidad que nuestras puertas en chip, ya que involucra un cable físico. Nuestro software debe tener en cuenta esta consideración de arquitectura para que nuestros usuarios aprovechen al máximo este sistema”, dijo Gambetta.

Kookaburra será el próximo procesador cuántico. Para 2025, IBM dijo que Kookaburra será un procesador multichip de 1386 qubit con soporte de enlace de comunicación cuántica para paralelización cuántica. Como demostración, Gambetta dijo que IBM planea conectar tres chips Kookaburra en un sistema de 4158 qubits conectados por comunicación cuántica.

IBM también ha estado trabajando en el lado del software de la computación cuántica, en un intento por ofrecer una ventaja cuántica más pronto al adoptar un enfoque híbrido. En efecto, un problema se descompone en una serie de programas cuánticos y clásicos más pequeños. Luego se usa una capa de orquestación para unir los flujos de datos en un flujo de trabajo general. IBM denomina el enfoque Quantum Serverless.

“Quantum Serverless se centra en habilitar combinaciones flexibles de recursos cuánticos-clásicos sin requerir que los desarrolladores sean expertos en hardware e infraestructura, asignando solo 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 la funcionalidad central, como el tejido de circuitos”.

Al analizar los desafíos de conectar los sistemas informáticos cuánticos, Katie Pizzolato, directora de investigación de aplicaciones y estrategia cuántica de IBM, dijo: “El desafío de la escalabilidad es que existe un límite en la cantidad de qubits que puede colocar en un dispositivo y cómo vincular los dispositivos entre sí. para habilitar un sistema de 4158 qubits”.

Dijo que entre 300 y 400 sistemas qubit se pueden vincular utilizando la tecnología de acoplamiento corto que está desarrollando IBM. El acoplamiento largo debe ser lo suficientemente rápido para garantizar que el rendimiento de las aplicaciones no se vea severamente restringido 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 puede contener 1000 qubits”, agregó Pizzolato.

El Quantum System Two de IBM, presentado en noviembre de 2021, es el primer ejemplo de cómo se puede construir un sistema para escalar usando 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, donde cada cilindro comprende un refrigerador con varios sistemas interconectados de 300-400 qubit.

“Para 2025, habremos eliminado efectivamente los principales límites en la forma de escalar los procesadores cuánticos con hardware cuántico modular y la electrónica de control y la infraestructura criogénica que lo acompañan”, dijo Pizzolato. “Impulsar 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 los requisitos de construcción, energía y enfriamiento de los centros de datos, IBM dijo que 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 los centros de datos clásicos, con soluciones direccionables para acomodar equipos criogénicos”, dijo Pizzolato.

“Los aspectos clave del diseño del centro de datos, como los requisitos de electricidad y agua de refrigeración, las necesidades de espacio y la estandarización de la infraestructura y los elementos del sistema, son una parte integral de nuestro proceso de pensamiento. Hemos podido aprovechar nuestra profunda experiencia en el diseño de sistemas y centros de datos para avanzar rápidamente en el diseño de nuestros centros cuánticos”.

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