Marc Sureda
IBM y Cisco han anunciado una colaboración a largo plazo para sentar las bases de la computación cuántica distribuida en red, con el horizonte puesto en los primeros años de la década de 2030.
Ambas compañías quieren explorar cómo escalar sistemas cuánticos tolerantes a fallos más allá de la actual hoja de ruta de IBM y, al mismo tiempo; abordar los retos que plantea llevar la computación cuántica a entornos interconectados a través de Internet. El acuerdo combina los esfuerzos de IBM en la construcción de ordenadores cuánticos con el trabajo de Cisco en redes cuánticas para escalar sistemas cuánticos tolerantes a fallos y abordar los retos de llevar esta tecnología a Internet.
En el plano de los hitos temporales, IBM y Cisco se marcan un objetivo intermedio a cinco años: mostrar una primera prueba de concepto de una red que combine varios ordenadores cuánticos individuales, de gran escala y tolerantes a fallos, de forma que puedan trabajar conjuntamente en un mismo cálculo. Según el plan comunicado, esta red permitiría abordar operaciones que impliquen decenas o cientos de miles de qubits y que requieran potencialmente billones de puertas cuánticas, es decir; operaciones de entrelazamiento de alta complejidad. Entre las aplicaciones previstas se encuentran problemas de optimización de gran tamaño y el diseño de materiales y medicamentos complejos. En un plazo de cinco años, ambas compañías aspiran a mostrar una primera prueba de concepto de red que conecte varios ordenadores cuánticos a gran escala y tolerantes a fallos, capaces de realizar cálculos conjuntos con decenas o cientos de miles de qubits.
En paralelo, IBM mantiene su hoja de ruta para ofrecer ordenadores cuánticos a gran escala y tolerantes a fallos antes de que concluya la década actual. La colaboración con Cisco pretende ir más allá de la máquina individual y estudiar cómo conectar múltiples ordenadores cuánticos mediante una red distribuida que amplifique la capacidad total de cálculo. El enfoque descrito comprende el sistema como un todo, incluyendo el hardware que conectará los ordenadores cuánticos, el software que coordinará los cálculos entre ellos y la inteligencia de red necesaria para gestionar esas operaciones.
Hacia una red de computación cuántica distribuida
En el terreno técnico, IBM y Cisco planean investigar conjuntamente hardware y software que permitan conectar físicamente un número elevado de ordenadores cuánticos a gran escala y tolerantes a fallos, con el objetivo de formar una red de computación cuántica distribuida. Las compañías se proponen realizar una demostración inicial de esta red hacia finales de 2030, basada en el entrelazamiento de qubits procedentes de ordenadores cuánticos independientes ubicados en distintos entornos criogénicos. Para alcanzar este objetivo será necesario desarrollar nuevas conexiones, entre las que se citan transductores ópticos de microondas y un stack de software específico de soporte. La primera demostración de esta red distribuida se sitúa en el calendario hacia finales de 2030, con el objetivo de entrelazar qubits procedentes de ordenadores cuánticos independientes instalados en entornos criogénicos distintos.
Cisco articula su visión de un centro de datos cuántico sobre una arquitectura pensada para hacer operativa la computación cuántica distribuida en un horizonte temporal considerado próximo por las compañías. Esta propuesta contempla un stack completo de hardware y software orientado a preservar los estados cuánticos, gestionar los recursos de entrelazamiento, habilitar la teletransportación de estados entre ordenadores cuánticos y sincronizar las operaciones con una precisión inferior al nanosegundo.
Más allá de la conexión entre dos ordenadores cuánticos situados en ubicaciones cercanas, la colaboración prevé analizar cómo transmitir qubits a distancias mayores, por ejemplo entre edificios o entre centros de datos. Para ello, IBM y Cisco estudiarán el uso de fotones ópticos y de transductores ópticos de microondas, así como la forma de integrar estas tecnologías en una red cuántica que pueda transferir información cuántica según lo requiera cada aplicación.
La conexión de múltiples ordenadores cuánticos exige una interfaz específica. IBM tiene previsto desarrollar una unidad de red cuántica (Quantum Network Unit, QNU) que actúe como interfaz de una unidad de procesamiento cuántico (Quantum Processing Unit, QPU). La función de esta QNU será convertir la información cuántica estacionaria de la QPU en información cuántica “volante”, de manera que pueda enviarse a través de la red y conectarse con otros ordenadores cuánticos.
Por su parte, la red cuántica de Cisco se concibe para distribuir entrelazamiento entre pares arbitrarios de estas QNU bajo demanda, en consonancia con las necesidades de cada algoritmo o aplicación cuántica. Para hacerlo posible, Cisco desarrolla un marco de protocolo software de alta velocidad capaz de reconfigurar de forma continua y dinámica las rutas de red, de modo que los entrelazamientos puedan distribuirse hacia las QNU en el momento en que estas completen sus cálculos parciales.
Las dos compañías planean también investigar cómo un puente de red, formado por hardware de nueva generación y software de código abierto, podría utilizar los nodos de la red cuántica de Cisco para conectar numerosas QPU de IBM dentro de un mismo centro de datos a través de la interfaz QNU. En una fase posterior, este enfoque se extendería a varios centros de datos, con el fin de construir una red cuántica de mayor tamaño y alcance geográfico que siente las bases de una futura Internet de computación cuántica. Sobre esta base, IBM y Cisco contemplan centros de datos cuánticos capaces de combinar múltiples QPU de IBM y, a futuro, interconectar varios centros para conformar una red cuántica de mayor alcance.
Los ordenadores cuánticos de IBM conectados bajo esta arquitectura podrían abordar cargas de trabajo de gran exigencia computacional. Entre ellas se incluyen aquellas que combinan recursos de computación de alto rendimiento con capacidades cuánticas, en un planteamiento descrito como un marco de supercomputación centrado en la cuántica.
En este contexto de centros de datos cuánticos, IBM mantiene además una colaboración con el Centro de Materiales y Sistemas Cuánticos Superconductores (SQMS), dirigido por el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, en su calidad de miembro de cuatro de los Centros Nacionales de Ciencia e Investigación Cuántica del Departamento de Energía de Estados Unidos. IBM y el SQMS pretenden analizar cuántas QNU podrían operar en los centros de datos cuánticos y prevén realizar, en los próximos tres años, una demostración inicial con varias QPU conectadas.
Los cimientos de una futura Internet cuántica
La creación de una red de computación cuántica distribuida y escalable se presenta como un paso previo para acceder a un espacio computacional exponencialmente más amplio y para impulsar un conjunto diverso de tecnologías. Este tipo de red cuántica distribuida abriría un espacio de cálculo exponencialmente más amplio y podría dar lugar a una futura Internet basada en la computación cuántica a finales de la década de 2030.
Una Internet de computación cuántica implicaría la interconexión de diferentes tecnologías cuánticas distribuidas (como ordenadores cuánticos, sensores cuánticos y sistemas de comunicaciones cuánticas) capaces de compartir información a distancia. Inicialmente, este intercambio podría producirse dentro de una misma área metropolitana y, con el tiempo, extenderse a escala planetaria. Entre los posibles casos de uso se mencionan comunicaciones consideradas ultra seguras y una monitorización más precisa de fenómenos como el clima, el tiempo atmosférico o la actividad sísmica.
Finalmente, IBM y Cisco contemplan cofinanciar proyectos de investigación académica y colaborativos para contribuir al desarrollo de un ecosistema cuántico más amplio, en línea con su trayectoria de apoyo a la investigación en laboratorios académicos y nacionales. Ambas compañías planean además cofinanciar proyectos de investigación académica y colaborativos para impulsar un ecosistema cuántico más amplio alrededor de estas tecnologías.
