NVIDIA simula un ordenador cuántico de 104 qubits con aceleradores convencionales

NVIDIA simuló el funcionamiento de un procesador cuántico tolerante a fallos de 104 qubits, ejecutando cálculos en 8192 aceleradores GH200 del superordenador JUPITER. La compañía califica la simulación como la mayor entre los trabajos que reproducen tan detalladamente los cálculos cuánticos con corrección de errores. Al mismo tiempo NVIDIA no construyó un ordenador cuántico de 104 qubits: aceleradores gráficos convencionales modelaron su comportamiento.

El objetivo principal del trabajo no fue la carrera por el número de qubits. Los investigadores querían entender cómo el futuro procesador cuántico resistirá errores reales de hardware y cuántos recursos serán necesarios para que los cálculos no se desmoronen por el ruido. Para ello el equipo reprodujo la preparación de estados cuánticos especiales, sin los cuales un ordenador tolerante a fallos no podrá ejecutar el conjunto completo de operaciones complejas.

Los qubits son muy sensibles a las perturbaciones, por lo que un solo elemento físico suele ser insuficiente para almacenar de forma fiable la información cuántica. Los sistemas tienen que distribuir los datos entre grupos de qubits y buscar errores de forma continua. La preparación de los estados necesarios también requiere una gran cantidad de elementos auxiliares, por lo que cualquier reducción de recursos simplifica notablemente la futura máquina. NVIDIA afirma que el enfoque probado podría requerir aproximadamente un 90 % menos de qubits físicos que los métodos anteriores.

En la descripción detallada el equipo especifica que el modelo tuvo en cuenta no solo fallos aleatorios simples. Los investigadores añadieron errores de fase, que pueden acumularse durante los cálculos, así como fuga de estado. En ese tipo de fuga, el qubit superconductivo abandona los dos niveles de energía que codifican cero y uno. Para algunos elementos hubo que considerar un tercer nivel de energía, lo que aumentó de forma considerable el volumen de los cálculos.

El protocolo en sí comenzaba con un código pequeño de corrección de errores, tras lo cual el sistema aumentaba de forma gradual la región protegida y comprobaba si aparecían fallos. En los 104 qubits finales se incluyeron tanto los elementos de datos como los qubits auxiliares necesarios para la detección de errores. Por tanto, la cifra 104 no significa 104 qubits lógicos completos.

A los ordenadores clásicos les resulta difícil modelar en detalle los sistemas cuánticos, porque el volumen de datos necesarios crece rápidamente con cada nuevo elemento. En la mayor ejecución de NVIDIA fue necesario distribuir alrededor de 35,2 billones de amplitudes complejas entre 8192 aceleradores. Solo el estado cuántico actual ocupaba 512 TiB de memoria.

El sentido práctico de una simulación así es que los desarrolladores puedan comprobar la arquitectura de los procesadores cuánticos antes de fabricar el equipo. El modelo permite ver de antemano qué errores de hardware dificultan más los cálculos y hasta qué punto la estrategia de corrección elegida los mitiga. El resultado no crea aún un ordenador tolerante a fallos real, pero ayuda a entender cómo construirlo y qué soluciones resultarán demasiado costosas antes de que aparezca el procesador físico.