IBM prepara una ampliación importante de su arquitectura cuántica con Nighthawk r3, un procesador diseñado para ejecutar hasta 10.000 operaciones sobre 520 qubits programables. El proyecto contempla 2.034 qubits físicos en total y nuevas conexiones entre chips, con el objetivo de abordar problemas más complejos sin sacrificar la velocidad de procesamiento.
La compañía pretende conectar dos procesadores Nighthawk r3 durante 2027 para alcanzar 1.040 qubits programables, aunque todavía debe demostrar que puede mantener la precisión al aumentar el tamaño del sistema. Sus avances actuales con Nighthawk r2 ofrecen una primera referencia, pero las especificaciones de la próxima generación siguen siendo objetivos de desarrollo.
Nighthawk r3 aumenta la capacidad sin resolver todavía el desafío de los errores
Una de las principales diferencias de Nighthawk r3 es la relación entre sus 520 qubits programables y los 2.034 qubits físicos anunciados. Ambas cifras describen aspectos diferentes de la arquitectura y no deben confundirse con el número de qubits lógicos protegidos mediante corrección de errores, una capacidad que requiere recursos y procedimientos adicionales.
El nuevo procesador conservará la topología de conexiones en retícula cuadrada de Nighthawk r2, una distribución que facilita determinadas interacciones entre qubits vecinos. También incorporará diez conexiones entre chips, denominadas l-couplers, para ampliar la capacidad del sistema mediante varios procesadores interconectados.
La evolución prevista puede resumirse en las siguientes características:
| Característica | Nighthawk r2 | Nighthawk r3 |
|---|---|---|
| Qubits programables | 120 | 520 |
| Operaciones cuánticas | Más de 7.500 | Objetivo de 10.000 |
| Velocidad de muestreo | Hasta 100.000 muestras/s | Sin cifra confirmada |
| Interconexión | Arquitectura actual | 10 l-couplers |
| Estado | Disponible | En desarrollo |
Incrementar el número de qubits no garantiza una mejora equivalente de la capacidad computacional. La fidelidad de las operaciones, las conexiones disponibles y la acumulación de errores pueden limitar la complejidad de los circuitos ejecutables. Por ello, alcanzar 520 qubits programables será relevante únicamente si el sistema conserva una precisión suficiente durante los cálculos.
El verdadero desafío será conectar procesadores sin perder precisión
Para superar las limitaciones de un único chip, IBM apuesta por una arquitectura modular que permita conectar varios procesadores cuánticos. Esta estrategia evita depender exclusivamente de fabricar dispositivos cada vez mayores, pero introduce dificultades adicionales para transferir información cuántica entre componentes independientes.
La compañía ya ha demostrado una fidelidad del 99,3% al transferir estados cuánticos entre dos procesadores Nighthawk r1, utilizando cuatro l-couplers. El resultado supone un avance experimental, aunque todavía se encuentra por debajo del objetivo del 99,9% establecido para estas comunicaciones.
La diferencia resulta importante porque los errores de transferencia pueden acumularse cuando un circuito requiere numerosas operaciones entre chips. Incluso una fidelidad elevada en una operación individual puede convertirse en una limitación al ejecutar algoritmos extensos, especialmente antes de disponer de mecanismos de corrección de errores suficientemente eficaces.
IBM también ha conectado dos módulos criogénicos en un mismo sistema, alcanzando temperaturas inferiores a 15 milikelvin en menos de cinco días. Esta demostración aborda parte de la infraestructura necesaria para aumentar la escala, aunque no acredita todavía el funcionamiento conjunto de dos procesadores Nighthawk r3.
El objetivo para 2027 es construir un sistema de 1.040 qubits programables mediante dos chips, manteniendo las capacidades de procesamiento de la arquitectura. No obstante, IBM todavía deberá validar su rendimiento, la estabilidad de las conexiones y la precisión alcanzable en circuitos que utilicen ambos procesadores.
Nighthawk r2 demuestra avances en velocidad, pero no en todas las aplicaciones
La referencia actual es Nighthawk r2, introducido en septiembre y capaz de alcanzar 100.000 muestras por segundo. Su sistema de reinicio rápido de qubits reduce el tiempo entre ejecuciones, una característica especialmente importante en algoritmos que necesitan repetir numerosas mediciones para obtener resultados estadísticamente útiles.
Según IBM, E.ON, Algorithmiq y Q-CTRL han ejecutado conjuntamente 34.000 millones de circuitos, con mejoras de rendimiento de hasta 19 veces en determinadas cargas. Estas cifras reflejan el trabajo realizado sobre la plataforma, aunque no constituyen una medida universal de superioridad frente a otros procesadores cuánticos.
Entre las aplicaciones documentadas destaca E.ON, que comunicó una aceleración de 15 veces en un experimento de Machine Learning cuántico para optimización de redes eléctricas. Por su parte, IBM obtuvo una mejora de 12 veces al repetir una investigación con Oak Ridge National Laboratory dedicada a la simulación de materiales magnéticos.
Otra colaboración relevante corresponde a Algorithmiq, que trasladó un experimento sobre materiales cuánticos heterogéneos desde IBM Quantum Heron hasta Nighthawk r2. La nueva implementación ejecutó los circuitos ocho veces más rápido, mientras que IBM estima que reproducir determinados resultados mediante simulación clásica exigiría hasta 240 veces más memoria.
Este último dato requiere especial atención: una mayor dificultad para simular circuitos mediante métodos clásicos no demuestra automáticamente una ventaja cuántica práctica. La comparación depende del algoritmo, la precisión exigida y los métodos clásicos utilizados. Quantum Elements y ParityQC también han comunicado mejoras en sus propias cargas, aunque los resultados corresponden a experimentos específicos.
La integración con HPC será determinante para aprovechar sistemas mayores
El aumento del número de qubits también incrementa la necesidad de procesar mediciones, corregir errores y coordinar operaciones mediante hardware convencional. La computación cuántica actual depende de estos recursos para preparar circuitos, interpretar resultados y aplicar técnicas de mitigación que compensen parcialmente las limitaciones del hardware.
IBM está ampliando Quantum Platform para integrar computación cuántica y HPC en un mismo entorno, permitiendo distribuir tareas entre procesadores convencionales y sistemas cuánticos. El objetivo es reducir las operaciones manuales y mejorar el aprovechamiento de los recursos disponibles durante los experimentos.
En colaboración con RIKEN, los investigadores consiguieron ejecutar un procedimiento de diagonalización cuántica basada en muestras (SQD) aproximadamente cinco veces más rápido, pese a realizar 100 veces más cálculos que en el estudio original. La mejora refleja el comportamiento del conjunto del sistema, no exclusivamente el rendimiento del procesador cuántico.
Por otra parte, Cleveland Clinic y RIKEN automatizaron el procesamiento de 608 millones de muestras para estudiar estructuras biológicamente relevantes. Según IBM, esta automatización permitió una aceleración de 33 veces frente al procedimiento sin automatizar, mostrando la importancia de optimizar las tareas clásicas que acompañan a los experimentos.
La colaboración también alcanza a AMD y Oak Ridge National Laboratory, que trabajan con IBM en una plataforma de investigación para corrección de errores. El proyecto combina Nighthawk con el sistema HPC Umbra, equipado con GPU AMD Instinct MI355X y procesadores EPYC de quinta generación.
El principal reto de Nighthawk r3 no será simplemente superar los mil qubits, sino conseguir que esa capacidad adicional pueda aprovecharse con precisión y tiempos de ejecución razonables. Los resultados de r2 muestran avances en velocidad y procesamiento híbrido, pero todavía queda por demostrar que la próxima generación podrá trasladarlos a circuitos mayores sin que los errores y los costes computacionales anulen sus ventajas.
Vía: TechPowerUp
