Fujitsu y la Universidad de Osaka desarrollan una nueva arquitectura de computación cuántica que acelera el avance hacia la aplicación práctica de los ordenadores cuánticos

Fujitsu Europe

Madrid, April 11, 2023

Resumen de la nota de prensa enviada por Fujitsu Limited el 23 de marzo de 2023: https://www.fujitsu.com/global/about/resources/news/press-releases/2023/0323-01.html

Fujitsu y el Centro de Información Cuántica y Biología Cuántica (QIQB) de la Universidad de Osaka han revelado el desarrollo de una nueva arquitectura de computación cuántica de rotación analógica altamente eficiente, que representa un hito significativo hacia la realización de la computación cuántica práctica. La nueva arquitectura reduce en un 90% el número de qubits físicos necesarios para la corrección cuántica de errores -un requisito previo para la realización de la computación cuántica tolerante a fallos-, pasando de 1 millón a 10.000 qubits. Este avance permitirá a los investigadores embarcarse en la construcción de un ordenador cuántico con 10.000 qubits físicos y 64 qubits lógicos (4), lo que corresponde a un rendimiento informático aproximadamente 100.000 veces superior al rendimiento máximo de los ordenadores convencionales de alto rendimiento.

En el futuro, Fujitsu y la Universidad de Osaka seguirán perfeccionando esta nueva arquitectura para liderar el desarrollo de ordenadores cuánticos en la primera era del FTQC, con el objetivo de aplicar la informática cuántica a una amplia gama de cuestiones prácticas de la sociedad, como el desarrollo de materiales y las finanzas.

Corrección de errores para una informática tolerante a fallos: hacer realidad la cuántica práctica

Se espera que los ordenadores cuánticos Gate-based revolucionen la investigación en una amplia gama de campos, entre ellos la química cuántica y los sistemas financieros complejos, ya que ofrecerán un rendimiento de cálculo significativamente superior al de los ordenadores clásicos actuales.

Los qubits lógicos, que constan de múltiples qubits físicos, desempeñan un papel clave en la tecnología de corrección cuántica de errores y, en última instancia, en la realización de ordenadores cuánticos prácticos capaces de ofrecer resultados tolerantes a fallos.

Dentro de las arquitecturas de computación cuántica convencionales, los cálculos se realizan utilizando una combinación de cuatro puertas cuánticas universales con corrección de errores (5) (puerta CNOT, H, S y T). Dentro de estas arquitecturas, especialmente la corrección cuántica de errores para las puertas T requiere un gran número de qubits físicos, y la rotación del vector de estado en el cálculo cuántico requiere operaciones lógicas repetidas de la puerta T durante aproximadamente cincuenta veces de media. Así pues, se estima que la realización de un auténtico ordenador cuántico tolerante a fallos requiere más de un millón de qubits físicos en total.

Por este motivo, los ordenadores cuánticos de la primera era del FTQC que utilizan una arquitectura convencional para la corrección cuántica de errores sólo pueden realizar cálculos a una escala muy limitada, inferior a la de los ordenadores clásicos, ya que trabajan con un máximo de unos 10.000 qubits físicos, un número muy inferior al necesario para una auténtica computación cuántica tolerante a fallos.

Para resolver estos problemas, Fujitsu y la Universidad de Osaka han desarrollado una nueva arquitectura de computación cuántica de rotación analógica altamente eficiente, capaz de reducir significativamente el número de qubits físicos necesarios para la corrección cuántica de errores, y permitir que incluso los ordenadores cuánticos con 10.000 qubits físicos funcionen mejor que los ordenadores clásicos actuales, acelerando el progreso hacia la realización de una computación cuántica genuina y tolerante a fallos.

Fujitsu y la Universidad de Osaka han estado promoviendo la I+D conjunta en tecnología de corrección cuántica de errores, incluyendo nuevas arquitecturas de computación cuántica para la era temprana de la FTQC en la "Fujitsu Quantum Computing Joint Research Division", un esfuerzo de investigación colaborativo del QIQB, establecido el 1 de octubre de 2021 en el campus de la Universidad de Osaka como parte del programa "Fujitsu Small Research Laboratory" de Fujitsu (6).

Sobre la nueva arquitectura de computación cuántica

Al redefinir el conjunto de compuertas cuánticas universales, Fujitsu y la Universidad de Osaka han conseguido implementar una compuerta de rotación de fase, una primicia mundial que permite una rotación de fase altamente eficiente, un proceso que anteriormente requería un elevado número de qubits físicos y operaciones de compuerta cuántica.

A diferencia de las arquitecturas convencionales, que requerían repetidas operaciones lógicas de compuerta en T utilizando un gran número de qubits físicos, el funcionamiento de la compuerta dentro de la nueva arquitectura se realiza mediante rotación de fase directa a cualquier ángulo especificado.

De este modo, las dos partes han conseguido reducir el número de qubits necesarios para la corrección cuántica de errores a aproximadamente el 10% de las tecnologías existentes, y el número de operaciones de puerta necesarias para la rotación arbitraria a aproximadamente el 5% de las arquitecturas convencionales. Además, Fujitsu y la Universidad de Osaka suprimieron la probabilidad de error cuántico en los qubits físicos hasta aproximadamente el 13%, consiguiendo así cálculos de gran precisión.

La arquitectura informática recién desarrollada sienta las bases para la construcción de un ordenador cuántico con 10.000 qubits físicos y 64 qubits lógicos, lo que corresponde a un rendimiento informático aproximadamente 100.000 veces superior al rendimiento máximo de los ordenadores convencionales de alto rendimiento.

Figura: Imagen de la arquitectura de computación cuántica desarrollada recientemente

Agradecimientos

La investigación y el desarrollo de la nueva arquitectura de computación cuántica han contado con el apoyo de los siguientes programas: Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST), Programa sobre la plataforma de innovación abierta para la cocreación entre la industria y el mundo académico (COI-NEXT), "Centro de investigación de software cuántico" (JPMJPF2014); Objetivo 6 de JST Moonshot "Realización de un ordenador cuántico universal tolerante a fallos que revolucionará la economía, la industria y la seguridad para 2050", proyecto de I+D "Investigación y desarrollo de teoría y software para ordenadores cuánticos tolerantes a fallos" (JPMJMS2061); MEXT Quantum Leap Flagship Program (MEXT Q-LEAP) "Desarrollo de software cuántico mediante el diseño de sistemas cuánticos inteligentes y sus aplicaciones" (JPMXS0120319794) y "Desarrollo de aplicaciones de software cuántico mediante el simulador clásico rápido de ordenadores cuánticos" (JPMXS0118067394).

Notas
- [1] Qubit físico : Componentes físicos de los ordenadores cuánticos; unidad más pequeña de información cuántica.
- [2] Primera era FTQC : Era en la que los ordenadores cuánticos sólo funcionan con un máximo de 10.000 qubits físicos y en la que el FTQC se considera imposible de realizar.
- [3] Computación cuántica tolerante a fallos (FTQC) : La computación cuántica tolerante a fallos se consigue mediante la corrección de errores cuánticos.
- [4] Qubit lógico : Compuesto por múltiples qubits físicos; la unidad lógica más pequeña, corregida de errores mediante redundancia.
- [5] Puerta cuántica universal : Pluralidad de puertas cuánticas que pueden realizar todos los cálculos cuánticos combinándolas. Equivalente a las puertas AND, XOR y NOT de los ordenadores actuales.
- [6] Fujitsu Small Research Lab : Iniciativa en la que investigadores de Fujitsu se integran en incubadoras tecnológicas de universidades japonesas e internacionales para llevar a cabo investigaciones conjuntas con algunas de las mentes más destacadas en sus campos, incluidos profesores y la próxima generación de investigadores.

Enlaces relacionados
- Fujitsu y la Universidad de Osaka intensifican su colaboración en investigación y desarrollo de ordenadores cuánticos tolerantes a fallos"(comunicado de prensa, 1 de octubre de 2021)
- Centro de Información Cuántica y Biología Cuántica (QIQB), Universidad de Osaka
- Fujitsu Quantum
- Fujitsu Small Research Lab

Date: April 11, 2023
City: Madrid