Sólo hay espacio para estar de pie mientras Borja Peropadre de IBM establece la hoja de ruta para la ventaja cuántica y por qué 2026 podría ser el punto de inflexión
IBM espera que este año surjan «fuertes afirmaciones de ventaja cuántica». Ese fue el titular de Borja Peropadre, que dirige un equipo de ingenieros de algoritmos en IBM Quantum, hablando ante una sala repleta en la fundición CES de Fontainebleau en Las Vegas.
Peropadre fue directo sobre la misión de IBM: «Nuestra misión en IBM es llevar la computación cuántica útil al mundo». Delineó una hoja de ruta que se publicó por primera vez en 2019 desde que se extendió hasta 2033, y señaló que «año tras año hemos cumplido esa visión y esta hoja de ruta».
La presentación se centró en tres hitos. La primera, la «utilidad cuántica», se logró en 2023. La segunda, la ventaja cuántica, se espera para este año. La tercera, la computación cuántica tolerante a fallos con corrección de errores, está prevista para 2029.
Peropadre hizo referencia a una predicción hecha por Jay Gambetta, entonces vicepresidente de IBM Quantum y ahora director de IBM Research, en Supercomputing 2024: «Mi predicción es que los beneficios cuánticos se producirán en los próximos dos años. Pero sólo si HPC y la comunidad cuántica trabajan juntos». Peropadre agregó: «Así que ya entramos en ese año».
El caso para 2026
La confianza de IBM surge de un documento de 2023 que, como dijo Peropadre, «creó mucho entusiasmo y mucha confusión». El artículo demostró que una ruidosa computadora cuántica que utiliza 127 qubits y casi 3.000 puertas de dos qubits produjo valores esperados precisos «más allá de las capacidades del cálculo clásico de fuerza bruta».
Peropadre ilustró el significado con un experimento mental. «Imagínate que te doy estas diez cajas blancas. Cada una es una computadora». Nueve eran simuladores clásicos de última generación que utilizaban algoritmos aproximados. Uno era una computadora cuántica. El resultado: «La computadora cuántica es básicamente el promedio de todas estas cosas».
Puede parecer decepcionante, pero Peropadre explicó las implicaciones: «Hay problemas en los que no tenemos algoritmos clásicos exactos de fuerza bruta. Y las computadoras cuánticas hoy pueden ayudar a encontrar soluciones o proporcionar soluciones donde los métodos aproximados realmente tienen dificultades».
IBM ha definido dos criterios para las ventajas cuánticas. La primera es la «separación cuántica», que Peropadre describió como «esa separación demostrable o ese rendimiento superior demostrable en eficiencia, tiempo de solución, precisión o calidad». El segundo es la validación: «Si tengo una computadora cuántica que produce un resultado más rápido que una computadora clásica, pero no tengo fuerza bruta o algoritmos clásicos exactos que puedan verificar o decirme que este resultado es exacto, ¿cómo puedo creer que la computadora cuántica está haciendo lo correcto? Eso es lo que queremos decir con validación. Tenemos que asegurarnos de que el resultado esté rigurosamente validado».
IBM ha identificado tres familias de problemas en los que los ruidosos ordenadores cuánticos pueden producir resultados verificables. La primera es la «estimación observable», que abarca la dinámica de los materiales y la química. El segundo son los «problemas variacionales», como el cálculo del estado fundamental o la energía mínima de las moléculas. Peropadre explicó: «Si se obtiene una energía inferior a la del mejor método clásico, sabemos que habrá una ventaja cuántica». La tercera categoría son los problemas «clásicamente verificables», como el algoritmo de factorización de Shor: «Si quieres saber si esa solución es correcta, simplemente multiplica los dos números más pequeños y mira si el número que tienes es correcto o no».
IBM ya está realizando experimentos en estas categorías. Utilizando «circuitos espejo», que Peropadre describió como circuitos que son «fáciles de verificar para nosotros» porque «estamos haciendo una operación al revés, por lo que básicamente no hace nada», IBM probó dos computadoras cuánticas independientes: IBM Boston e IBM Pittsburgh, ambas con chips Heron. «Obtuvimos el mismo resultado. Esto nos da la sensación de que estamos obteniendo una fuerte confirmación de que estamos abordando problemas computacionales más allá de lo que las computadoras clásicas pueden producir».
En cuanto a los problemas variacionales, las computadoras cuánticas están «comenzando a superar a los mejores métodos clásicos que han sido los viejos métodos de la química cuántica a lo largo de los años». Peropadre llamó a esto «otra dirección en la que vemos potencial para que las computadoras cuánticas superen a los métodos clásicos para 2026».
Pero fue franco sobre la competencia: «Unos días antes de que se suponía que presentáramos estos resultados, se nos ocurrió un método clásico que era mucho mejor que la computadora cuántica. No creo que sea nada… esa es la naturaleza de la ciencia. Eso es lo que va a suceder en los próximos años. Vamos a ver este bucle de retroalimentación en el que lo cuántico básicamente está tratando de superar lo clásico a lo clásico, pero clásico.
Añadió una salvedad importante: «No creemos que vaya a haber una afirmación fuerte o un objetivo final que diga que se han logrado beneficios cuánticos con esto. Creo que es súper saludable desde un punto de vista científico que sigamos trabajando con la comunidad clásica y que sigamos viendo este desarrollo de algoritmos clásicos y cuánticos juntos».
Para seguir esta competencia, IBM y socios como Algorithmiq, el Flatiron Institute y BlueQubit han creado «rastreadores de ventajas» de código abierto. Peropadre explicó: «Puedes conectarte a Internet, comprobar que es de código abierto y básicamente puedes seguir una especie de carrera entre la computación clásica y la cuántica». Los investigadores publican su institución, método, detalles del circuito, recuentos de qubits y puertas, y resultados. «Realmente esperamos y realmente esperamos que esto tenga mucha tracción este año. Todos participan, todos están aportando sus resultados».
Tubería de hardware
Peropadre recorrió el desarrollo de los procesadores cuánticos de IBM, utilizando el número de puertas de dos qubits como medida clave de la complejidad del circuito.
«En 2016, cuando pusimos la primera computadora cuántica en la nube, teníamos una complejidad cuántica de tres puertas de dos qubits. Avancemos rápidamente hasta 2023, cuando hicimos este artículo complementario, cuando alcanzamos casi 3.000 puertas. El año pasado, ya logramos 5.000 puertas de dos qubits».
La hoja de ruta proyecta un crecimiento continuo: «A finales de este año, tendremos 7.500 puertas de dos qubits, y llegaremos a 100 millones de puertas en 2029 y mil millones de puertas en 2033».
Los resultados auxiliares se obtuvieron en el procesador Heron, que tiene una «topología hexadecimal pesada». Desde entonces, IBM lanzó Nighthawk, un chip de 120 qubits con un diseño de celosía cuadrada. «Este chip es capaz de producir circuitos cuánticos hasta un 30% más complejos que los que describí», dijo Peropadre. «Esperamos que este sea nuestro buque insignia para lograr beneficios cuánticos este año».
Nighthawk está disponible para clientes premium de IBM y socios de IBM Quantum Network. Peropadre mostró un gráfico que compara la flota de IBM con competidores como Rigetti, QuEra, Quantinuum, IQM e IonQ, señalando que «todas las computadoras cuánticas de IBM, toda la flota, están bien en lo que llamamos la región de suministro».
La corrección de errores, que Peropadre describió como necesaria para «una computadora cuántica muy robusta», está prevista para 2029. Hasta entonces, IBM depende de técnicas de lucha contra errores. «En su mayor parte, las GPU y las CPU están funcionando. Así que ya estamos empezando a ver que la imagen cuántica no funciona de forma aislada. Tiene que funcionar orquestada con recursos informáticos clásicos».
Lo que sigue siendo incierto
El hardware por sí solo no generará beneficios cuánticos. «Tenemos que encontrar algoritmos», dijo Peropadre. «Necesitamos encontrar más algoritmos que realmente se apliquen a diferentes aplicaciones».
Citó como ejemplo el eigensolver cuántico variacional, descubierto alrededor de 2014: «Fue una verdadera disrupción en el campo y todo el mundo empezó a trabajar en algoritmos variacionales. El progreso a lo largo de los años ha sido lento pero constante».
Pero los verdaderos avances provienen enteramente de nuevos algoritmos. «Lo que es realmente disruptivo es el descubrimiento de nuevos algoritmos. Algo que realmente cambió el juego en química fue encontrar nuevos algoritmos, como los algoritmos SQD, algoritmos de diagonalización cuántica basados en muestreo que llevaron el número de qubits de aproximadamente 30 a 80».
La lección, argumentó Peropadre, es que el acceso impulsa el descubrimiento: «Muchos de los algoritmos que se han descubierto, incluso en el pasado, se han producido cuando los científicos tenían acceso a las computadoras. Así que ahora son las máquinas a las que la gente y la sociedad tienen acceso. La gente tiene que empezar a probar sus algoritmos cuánticos en esas máquinas».
IBM ha identificado cuatro dominios de aplicación: simulación hamiltoniana (que cubre «química o ciencia de materiales o cómo evolucionan los sistemas cuánticos»), optimización («desde la optimización de carteras en finanzas» hasta el plegamiento de proteínas, que implica «un número enormemente exponencial de posibilidades que una proteína tiene para plegarse sobre sí misma»), aprendizaje automático y «comportamiento diferencial en aviones» («turbulencia del paisaje»).
Las aplicaciones específicas que Peropadre destacó incluyeron productos farmacéuticos («cómo las moléculas pequeñas tienen una conexión directa con un bolsillo en un objetivo») y desarrollo de baterías («iones de litio, moléculas muy fundamentales y reacciones químicas»).
Quantum Network de IBM tiene más de 100 casos de prueba activos con socios como RIKEN, Oak Ridge National Laboratory y Boeing. «Somos muy conscientes de que los beneficios cuánticos no se obtendrán únicamente gracias a IBM», afirmó Peropadre. «Necesitamos que nuestros socios y expertos en estos diferentes sectores vengan y nos digan dónde buscarlo».
