O CESGA propón arquitecturas de rede capaces de escalar de forma rápida as capacidades de computación cuántica
Para cando os computadores cuánticos plenamente operativos existan, xa se terán deseñado sistemas capaces de conectalos entre si para abordar tarefas de tamaño e complexidade inimaxinables. O CESGA aspira a contribuír de maneira relevante a este reto mediante o seu proxecto de desenvolvemento de arquitecturas de rede para computación cuántica distribuída rapidamente escalables que permitan executar e coordinar operacións colectivas entre múltiples nodos
A década dos 60 do século pasado viu xerminar un dos principais fitos da tecnoloxía informática: a computación distribuída. A rede ARPANET, popularmente coñecida como a precursora de Internet, puxo as bases para que múltiples computadoras se conectasen e compartisen recursos.
A partir de aí, o salto cualitativo que supoñía este modelo estimulou os esforzos científicos e innovadores da comunidade investigadora e da industria tecnolóxica para espremer todo o seu potencial. Grazas ao modelo distribuído, a computación clásica alcanza as súas maiores cotas de escalabilidade, tolerancia a fallos, eficiencia no uso de recursos, capacidade de procesamento paralelo, flexibilidade e custo-beneficio. En poucas palabras, é a clave para procesar grandes volumes de datos e realizar cálculos complexos da maneira máis eficiente.
Iago Fernández
Con este precedente, non é estraño que unha das grandes liñas de traballo de quen está poñendo os cimentos das tecnoloxías cuánticas sexa o deseño dun modelo de computación distribuída. Con este modelo, a ecuación é claramente prometedora: a exponencialidade da capacidade de cálculo inherente á computación cuántica elévase a cotas aínda difíciles de imaxinar. Do mesmo xeito que as súas potenciais aplicacións.
No marco do Plan Complementario de Comunicacións Cuánticas (PCCC), o Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) traballa no desenvolvemento de arquitecturas de rede para computación cuántica distribuída que permitan executar e coordinar operacións colectivas entre múltiples nodos ou unidades de procesamento cuántico, coñecidas polas súas siglas en inglés QPU (quantum processing units).
“É necesario deseñar como deben estar configuradas estas redes e que funcións han de ter os dispositivos que habilitan as comunicacións entre os seus diferentes nodos”, explica Iago Fernández Llovo, doutor en física pola Universidade de Santiago de Compostela e investigador do Departamento de Comunicacións do CESGA.
O seu proxecto ten o obxectivo de contribuír ao deseño das conexións entre dispositivos cuánticos para que traballen conxuntamente na resolución de problemas que non son abordables para un só computador, utilizando un número mínimo de operacións, tempo e recursos. Este tipo de operacións permiten que os computadores cuánticos conectados pola rede se comporten como un único sistema, “escalable, modular e reconfigurable en función da aplicación”, como especifica Llovo.
Intercambio de entrelazamento
“Estamos a desenvolver a forma de realizar operacións colectivas entre varias QPU cando se dispón de dispositivos cuánticos de rede que as conectan”, explica o investigador do CESGA, que aclara que, aínda que as funcións destes dispositivos aínda non están ben establecidas, poderían ser máis numerosas que as dos seus equivalentes clásicos.
Máis funcións, de maior complexidade e tamén moi distintas, porque conectar e coordinar computadores cuánticos en diferentes localizacións físicas é moi diferente a facelo con computadores clásicos. As regras que rexen a construción das redes que os unen e os poñen a traballar xuntos réxense polas leis da mecánica cuántica e isto supón retos tecnolóxicos e algorítmicos inéditos.
A proposta de modelo máis estendida para facelo posible é o intercambio de entrelazamento, que busca distribuír pares de cúbits entrelazados, coñecidos como pares de Bell, entre QPU distantes –e non conectadas directamente entre si– utilizando as propiedades da mecánica cuántica. En esencia, permite estender a través dunha rede o entrelazamento entre cúbits que nunca interactuaran directamente, algo esencial para construír unha rede DQC (do inglés distributed quantum computing).
Os investigadores do CESGA propoñen como caso prototípico unha rede que involucra a múltiples QPU conectadas por canles cuánticas exclusivamente a dispositivos de rede –que, á súa vez, poden estar ou non conectados a outros nunha capa superior–, formando unha especie de árbore.
A tecnoloxía que se utiliza na investigación sobre canles cuánticas é xeralmente fotónica e baséase en realizar un tipo de medidas coñecidas como medidas de Bell para xerar entrelazamento. “Estas operacións non son perfectas e os estados cuánticos de gran pureza son delicados e difíciles de xerar, polo que é necesario simular como teñen lugar estas medidas e a física para calcular perdas de fidelidade”, aclara Llovo.
En efecto, a xeración de pares de Bell de gran fidelidade é un enorme reto experimental no que traballan grupos de investigación de todo o mundo. Os seus resultados irán xerando as diferentes pezas que compoñen este gran quebracabezas.
A peza que se está deseñando no CESGA corresponde á parte algorítmica, tratando de desentrañar como se implementan as operacións unha vez que se dispón destes pares de Bell. E aquí é onde o equipo ten que loitar cos límites da tecnoloxía actual, que non sempre van á par dos avances científicos. “Neste caso, a maior limitación é que o noso traballo en DQC baséase en simulacións en computadores convencionais. Estas simulacións son moi custosas a nivel computacional: un só cúbit adicional duplica a cantidade de memoria RAM necesaria para simular un sistema cuántico, así que rapidamente se fai imposible simular sistemas cuánticos grandes”, expón Llovo. E non é un problema co Finisterrae galego, senón que incluso toda a memoria do supercomputador máis potente do mundo é insuficiente para simular un sistema cuántico de tan só 60 cúbits.
O equipo do CESGA propón unha arquitectura de rede que permitiría escalar as capacidades de computación cuántica moi rápido. “Desenvolvemos unha técnica para facer operacións colectivas nas que participa un router que actúa, para que se entenda, como pegamento entre distintas QPU”, afirma Llovo. En esencia, isto permitirá aumentar a conectividade das unidades que compoñen a rede cun número reducido de conexións cuánticas e aforrando pares de Bell respecto a outras propostas actuais.
Moito máis que a suma das partes
A relevancia dos resultados deste proxecto pódese medir con relación á importancia da escalabilidade na computación cuántica, que é clave. Para entendelo hai que ter en conta que a potencia dun computador cuántico se incrementa exponencialmente con cada cúbit adicional. Un aumento dun único cúbit multiplica a cantidade de información que o sistema pode almacenar e procesar simultaneamente por un factor dous. Isto quere dicir que, cando sexa unha realidade, un computador cuántico distribuído dispoñerá de todos os cúbits dos nodos individuais, pero, grazas ao seu traballo en común, a potencia de cálculo será moi superior á da suma das partes.
Isto permitirá resolver problemas dunha enorme entidade e complexidade, inabordables hoxe en día ata para os supercomputadores máis avanzados. En todo caso, os investigadores do CESGA advirten de que para ver a utilidade destes resultados haberá que esperar ao medio e longo prazo. “A nosa proposta mellora o coñecido ata o momento e permite proxectar como será un datacenter cuántico unha vez que as tecnoloxías de xeración de pares de Bell e de corrección de erros teñan madurado”, explica Fernández Llovo. Estas tecnoloxías aínda non chegaron, pero só é cuestión de tempo, xa que hai moitos grupos de investigación traballando nelas en todo o mundo.
O futuro cuántico
“O cidadán de a pé posiblemente nunca vexa ou utilice un computador cuántico. Estes dispositivos non veñen substituír aos computadores convencionais, senón que acelerarán traballos ata o punto de permitir que cálculos que levarían máis tempo que a idade do universo no máis potente dos supercomputadores actuais poidan realizarse na escala de tempo do ser humano, é dicir, dende segundos ata meses”.
Esta é a visión de Iago F. Llovo sobre o papel que cumprirá a computación cuántica no futuro, sen prexuízo de que o seu impacto sexa moi relevante en cuestións que afectan directamente a todas as persoas. En concreto, el destaca que terá un gran impacto na ciencia de materiais e no desenvolvemento de novos medicamentos e que tamén será de utilidade para campos como a simulación de mercados financeiros ou a coordinación e previsión de sistemas eléctricos.
A carreira para logralo é longa e complexa. A pesar de que os grandes actores do desenvolvemento tecnolóxico están a empuxar moi forte para que estes dispositivos estean dispoñibles, aínda é necesario lograr un só ordenador cuántico inmune a erros ou capaz de corrixilos.
Simultaneamente, estase a traballar de forma experimental na conexión de distintos computadores. “Ata entón non veremos computadores cuánticos distribuídos propiamente ditos, senón os bloques de construción, a ciencia que levará a iso. Por iso é importante que a investigación básica dispoña do tempo e do financiamento necesario para xerar o impacto e o seguimento que merece”, conclúe Llovo.
