IBM, AMD y el Centro de Ciencias Cuánticas del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge presentaron hoy una plataforma de codiseño para la corrección de errores cuánticos, basada en hardware cuántico y clásico ubicado en las mismas instalaciones. En el centro cuántico de IBM en Poughkeepsie, Nueva York, las computadoras cuánticas de IBM, incluido el procesador IBM Quantum Nighthawk de 120 cúbits , se encuentran junto a Umbra, un sistema de computación de alto rendimiento del ORNL basado en GPU AMD Instinct MI355X y CPU AMD EPYC de quinta generación. El hardware de AMD proporciona la parte clásica de la investigación: decodificación, optimización y orquestación de software.
Computación clásica para la corrección de errores cuánticos
Los códigos de corrección de errores distribuyen la información cuántica entre múltiples cúbits físicos y realizan comprobaciones repetidas en busca de fallos. Un ordenador clásico lee cada ronda de comprobaciones y determina qué cúbits fallaron, un proceso que IBM denomina decodificación, y el decodificador debe seguir el ritmo del procesador cuántico. Actualmente, los ordenadores cuánticos y los clústeres de computación de alto rendimiento rara vez se encuentran en las mismas instalaciones, por lo que los investigadores acceden a la máquina cuántica a través de la nube, ejecutan el trabajo clásico en sistemas separados y conectan ambos mediante API independientes. Cada transferencia de datos añade retraso y limita los experimentos que un equipo puede realizar.
La plataforma coloca las dos mitades una al lado de la otra para que los investigadores puedan probar la corrección de errores en hardware cuántico real dentro de los flujos de trabajo para los que está diseñada, sin necesidad de construir ellos mismos esa infraestructura. IBM afirma que el trabajo abarca códigos concatenados, códigos espacio-temporales, decodificadores con reconocimiento de algoritmos, optimización y compilación de circuitos con reconocimiento de hardware y orquestación de software en una única pila.
Uno de los objetivos es la corrección de errores jerárquica, que superpone un código interno que protege los cúbits dentro de un módulo bajo un código externo que encapsula los cúbits lógicos del código interno. Según las investigaciones de IBM, este enfoque permite realizar un billón de operaciones lógicas con una tasa de error físico de una entre mil, y la decodificación se produce en cada capa.
“Con Umbra, ahora probaremos nuevas ideas, evaluaremos enfoques a gran escala y sentaremos las bases para ordenadores cuánticos más fiables”, declaró Travis Humble, director del Centro de Ciencias Cuánticas.
GPU MI355X y CPU EPYC de quinta generación en Umbra
En el ámbito cuántico, Nighthawk ofrece a los investigadores conectividad de red cuadrada, la más alta de cualquier arquitectura de procesador IBM, un alto rendimiento de circuitos y control de pulsos en tiempo real mediante la API de Sistemas Cuánticos de IBM. Los investigadores pueden medir cúbits en pleno circuito, actuar en función del resultado en tiempo real, ajustar la sincronización exacta de las señales que protegen los cúbits del ruido y trabajar directamente con las señales de medición sin procesar. Esto permite a un equipo comparar el coste de cada método de corrección de errores en términos de cúbits, tiempo, muestras y recursos clásicos, y determinar dónde la aceleración por GPU resulta más útil.
En el ámbito clásico, los aceleradores MI355X permiten a los investigadores entrenar y evaluar decodificadores a gran escala, con las CPU EPYC encargándose de la orquestación. La ubicación conjunta mantiene baja la latencia para la decodificación y la ejecución condicional, donde un programa cuántico elige su siguiente operación basándose en una medición tomada durante el cálculo. Ni IBM ni AMD han publicado el número de nodos, la cantidad de GPU o CPU, las cifras de latencia de decodificación ni los benchmarks para la implementación. AMD ha descrito por separado SoC y FPGA adaptativos para el control y la lectura de baja latencia, y ROCm para la orquestación de aceleradores cuánticos como parte de su estrategia cuántica híbrida , pero el anuncio no los ubica en Umbra.
La plataforma amplía el trabajo previo realizado entre las tres organizaciones. IBM y ORNL ya colaboran a través del Centro de Ciencias Cuánticas, y ambas han demostrado la distribución de cargas de trabajo entre las computadoras cuánticas de IBM y la supercomputadora Frontier para simular materiales magnéticos y calcular configuraciones moleculares de un material candidato para combustible de fusión. Con AMD, IBM utiliza GPU de AMD para acelerar el paso de diagonalización clásica en la diagonalización cuántica basada en muestras, y ambas compañías han demostrado un algoritmo que decodifica errores cuánticos en chips de AMD.
Conexiones planificadas con la supercomputación de ORNL
La plataforma se conectará con el Centro de Computación de Alto Rendimiento de Oak Ridge (ORNL) en Oak Ridge, Tennessee. ORNL también describe una conexión con Lux, su supercomputadora basada en AMD, para que el trabajo cuántico pueda ejecutarse como parte de la infraestructura de computación científica e inteligencia artificial del laboratorio. IBM y AMD afirman que la colaboración explorará cómo las futuras generaciones de computación, redes y software abierto de AMD pueden diseñarse conjuntamente con computadoras cuánticas. Estas conexiones se describen como planificadas, y el anuncio no proporciona una fecha de finalización, un cronograma de acceso externo ni un hito de disponibilidad general para la plataforma.
Este esfuerzo se alinea con la Misión Génesis Cuántica del Departamento de Energía de EE. UU. y su objetivo de lograr una computadora cuántica científicamente relevante para 2028. La Competencia Q de la misión apunta a 100 cúbits lógicos que ejecuten 100 000 operaciones de hardware para finales de 2028, mientras que los experimentos actuales de IBM alcanzan los 70 cúbits lógicos y 438 operaciones de hardware, una diferencia de aproximadamente 230 veces en el número de operaciones. IBM afirma que lo que los equipos aprendan sobre corrección de errores y flujos de trabajo de computación de alto rendimiento servirá de base para IBM Quantum Starling , la computadora cuántica tolerante a fallos que planea entregar para 2029.
“Esta plataforma de codiseño es un paso importante hacia la construcción de la infraestructura informática escalable y eficiente necesaria para hacer realidad la computación cuántica tolerante a fallos”, dijo Mark Papermaster, vicepresidente ejecutivo y director de tecnología de AMD.
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