Es bien sabido que la industria de la computación cuántica aún se encuentra en sus primeras etapas, con la esperanza de alcanzar hitos importantes en un plazo de 5 a 10 años. Este informe dominical es una sesión de intercambio de ideas sobre la posible arquitectura futura de las máquinas de computación cuántica.
Antes de continuar leyendo, tenga en cuenta que lo que sigue es solo una mirada a posibles futuros, no una predicción de lo que sucederá o debería suceder. Como dijo Steve Jobs:
No puedes conectar los puntos mirando hacia adelante. Solo puedes conectarlos mirando hacia atrás. Así que tienes que confiar en que los puntos se conectarán de alguna manera en tu futuro. Tienes que confiar en algo: tu intuición, el destino, la vida, el karma, lo que sea. Este enfoque nunca me ha fallado y ha marcado la diferencia en mi vida.
Al pensar en los años 70, cuando abundaban los grandes y voluminosos mainframes, resulta fácil relacionarlos con el aspecto actual de los sistemas informáticos. Por ejemplo, esta es la comparación entre el IBM 360/91 de 1966 y el sistema Keysight 1000-qubit desplegado en G-QuAT en 2025.
¿Qué tal si nos permitimos reflexionar sobre cómo nos gustaría que fuera el futuro sistema de computación cuántica? El diagrama a continuación ilustra mi punto de vista. La idea es simplemente comparar los chips de memoria actuales, compuestos por un almacenamiento de bits complejo y un controlador para acceder a esos bits, con la forma en que se implementan hoy en día los sistemas de control cuántico. Lo que puede resultar controvertido es que, en lugar de identificar el control del cúbit como una unidad de procesamiento, ahora se compara con una unidad de memoria.
Fue entonces cuando me topé con el blog de Ken Shirriff (https://www.righto.com/2019/04/) sobre la memoria del IBM S/360. El contenido del blog y el vídeo son absolutamente fantásticos; jamás habría imaginado que la tecnología de memoria hubiera evolucionado tanto. Y al observar cómo se utilizan pulsos para controlar la memoria principal, me recuerda mucho a las técnicas similares empleadas para controlar y leer las entidades de cúbits, a las que me referiré como «memorias de cúbits».
Por supuesto, aún queda un largo camino por recorrer antes de poder siquiera pensar en un chip de silicio integrado que contenga tanto cúbits de silicio (o modalidades similares) como electrónica de control. En la etapa actual de desarrollo, los cúbits deben operar a temperaturas criogénicas para evitar el ruido ambiental; sí, los cúbits son entidades “sensibles”. Además, la electrónica de control es muy ruidosa y genera calor, por lo que no es compatible con los cúbits.
Una vez que se haya abordado el desafío del ruido, probablemente con un avance en ciencia de materiales (piense en memorias ferroeléctricas o transistores de terahercios), la industria tendrá que avanzar hacia tener circuitos integrados, con empaques avanzados, tal como se hace con silicio fotónica. No pretendo saber cómo sucederá esto, y mucho menos cuándo sucederá, pero si observamos la evolución de las computadoras centrales, podemos estar seguros de que sucederá. Y una vez que esto ocurra, se abrirá la puerta a que cada pieza de equipo electrónico incluya un elemento de computación cuántica.
Nota [2025-10-28]: En el diagrama anterior se asume implícitamente que el cúbit se basa en una modalidad de silicio, pero esto no tiene por qué ser así. Por ejemplo, las modalidades de cúbits direccionables ópticamente no presentan un desafío criogénico, sino más bien un desafío de escalabilidad y miniaturización. Y sin duda se pueden esperar avances significativos en estas modalidades; pensemos en la memoria RAM magnetoresistiva controlada ópticamente.
¿Qué hace que un QRAM sea un “elemento cuántico”?
Link to heading
Esta digresión no sería interesante sin responder a la pregunta clave: ¿Qué hace de la memoria RAM cuántica un “elemento cuántico” de interés? La memoria RAM estándar, ya sea RAM estática (SRAM), RAM dinámica (DRAM) o RAM dinámica síncrona (SDRAM), funciona con un principio muy básico: leer y escribir bits en una matriz direccionada por un espacio de direcciones lineal.
Supongamos que los cúbits también pueden direccionarse mediante un espacio de direcciones lineal. En este caso, ¿qué hace que este arreglo sea más interesante que un simple arreglo de “bits booleanos”? Estas son algunas de las consideraciones que se deben tener en cuenta al pensar en “bits cuánticos”:
Entrelazamiento: Múltiples cúbits pueden exhibir entrelazamiento cuántico. Los cúbits entrelazados siempre se correlacionan entre sí para formar un único sistema. Incluso cuando están infinitamente separados, medir el estado de uno de los cúbits nos permite conocer el estado del otro, sin necesidad de medirlo directamente.
Superposición: La superposición permite que los algoritmos cuánticos utilicen otros fenómenos de la mecánica cuántica, como la interferencia y el entrelazamiento. En conjunto, la superposición, la interferencia y el entrelazamiento generan una capacidad de cálculo que puede resolver problemas exponencialmente más rápido que las computadoras clásicas.
Es bien sabido que el único concepto verdaderamente cuántico es el entrelazamiento cuántico. La superposición es simplemente una forma de expresar que un sistema puede estar en dos o más estados, estados conocidos pero no observables. Y una vez observado, el sistema “colapsa” en un único estado definido. No hay nada tan especial en la superposición; lo especial es el hecho de que se puede usar el entrelazamiento para “observar” sin “medir”, manteniendo así las propiedades cuánticas de los cúbits.
Entonces, ¿qué tipo de interfaz debería exponer esta QRAM en los “qubits de estados superpuestos” para calificar como una “RAM cuántica”?
significa controlar cada cúbit individualmente con puertas de un solo cúbit, con “reset” como una pseudopuerta.
significa controlar múltiples cúbits con puertas condicionales, utilizando entrelazamiento subyacente.
significa leer cada cúbit, reduciendo o “colapsando” el cúbit en un único estado definido.
Debo admitir que esta es una perspectiva demasiado simplificada e ingenua contra la que mis colegas físicos lucharían, y estoy de acuerdo en que es necesario simplificar su ecuación con la ayuda de mejores abstracciones; también debo admitir que realmente no me gusta la idea de llamar a una “matriz de bits cuánticos” una “memoria cuántica”, pero el nombre “QRAM” es muy atractivo, además de una poderosa metáfora.
Uno de los dilemas de la «metáfora de la memoria» es si resulta aceptable «simplificar» el Sistema de Control Cuántico y convertirlo en una parte auxiliar de la memoria. O si, por el contrario, es necesaria una Unidad de Control Cuántico (UCC) que, al igual que una GPU (Unidad de Procesamiento Gráfico), opere sobre los bits cuánticos, en cuyo caso el énfasis recae en la ejecución de una secuencia de puertas lógicas.
Por supuesto, se podría decir que es lo mismo: en el primer caso, el procesador no es más que el controlador dentro de la matriz de memoria. Pero desde la perspectiva de la arquitectura del sistema, lo importante es destacar la interfaz expuesta: en el caso de la memoria, el secuenciador de puertas es la CPU/GPU, y la interacción con la QRAM se basa en puertas (escritura) y lectura (lectura). En el caso de un procesador cuántico, la secuencia reside en la QCU, y la interacción se basa en secuencias de puertas. Para que el primero funcione, la CPU/GPU tendría que gestionar cierto nivel de cosincronía para puertas de múltiples cúbits.
Uno de los muchos desafíos de los cúbits es la escala, tanto en términos de cantidad como de fiabilidad. La cantidad se refiere a la capacidad de integrar más cúbits en el mismo chip, mientras que la fiabilidad alude a la capacidad de crear cúbits con una mejor caracterización. Intencionadamente, no mencioné el tiempo de decoherencia, ya que una decoherencia más prolongada no siempre resulta beneficiosa; abordaré este tema en un informe posterior.
Volviendo al tema de la fiabilidad, cabe destacar que actualmente las memorias RAM incorporan código ECC interno (https://en.wikipedia.org/wiki/ECC_memory) en sus controladores. Asimismo, las memorias QRAM podrían beneficiarse de la corrección de errores cuánticos (QEC) integrada en el controlador. Esto daría lugar a memorias cuánticas fiables.
Lo que me gusta de la abstracción de la unidad de memoria cuántica es que se puede relacionar fácilmente con la evolución que ha tenido lugar en la industria de la secuenciación del ADN: antiguamente, los secuenciadores de ADN eran muy caros, porque buscaban una coincidencia perfecta de la secuencia, una a una, y de hecho se tardaron 32 años en secuenciar el genoma humano completo. Pero con la introducción de la NGS, o secuenciación de próxima generación, solo se tardó 1 día a un precio mucho menor. La razón: el enfoque de procesamiento paralelo masivo (Créditos de la imagen: IEEE Spectum).
Entonces, tal vez podríamos considerar que, una vez que seamos capaces de crear circuitos integrados QRAM, la clave de la fiabilidad será habilitar una redundancia masiva, mediante el uso de miles de QRAM empaquetadas, todas haciendo lo mismo, en lugar de intentar lograr que una única QRAM basada en cúbits lógicos sea perfecta, como ahora pretende QEC.
¡Listo! Volveré a este memorándum dentro de 5 años para ver cuánto de lo que contiene se habrá cumplido, si es que algo se ha cumplido.
Diagramas de DrawIO utilizados en este memorándum: