La teoría de la computación cuántica se remonta a la década de 1980, pero realmente solo en los últimos cinco a diez años aproximadamente hemos visto avances suficientes como para que pueda convertirse realmente en una empresa comercial.
La mayoría de las empresas de computación cuántica han sido proyectos científicos liderados por académicos; compañías fundadas por doctorados que lideran equipos de doctorados. Sin embargo, a medida que la industria madura y las empresas miran hacia un futuro de fabricación y operación de computadoras cuánticas a escala de producción, la demografía de empleados está cambiando.
Si bien la I+D siempre jugará un papel central en cada empresa tecnológica, hacer que las computadoras cuánticas sean viables en el mundo real significa que estas startups están pensando en cómo construir, mantener y operar sistemas ligados a acuerdos de nivel de servicio (SLAs) en entornos de producción.
Esta nueva fase en la industria requiere que las empresas cambien su mentalidad, tecnología y personal.
Choques culturales y cambios de caras
En la empresa de computación cuántica Atom Computing, alrededor de 40 de los 70 empleados de la compañía tienen doctorados, muchos de los cuales se unieron directamente desde la academia. Este tipo de demografía de empleados cargada de académicos es común en toda la industria cuántica.
“Me aventuraría a decir que más de la mitad de nuestra empresa no tiene experiencia trabajando en una empresa anteriormente”, dice Rob Hays, CEO de Atom. “Así que hay un puente interesante entre la cultura académica versus la startup tecnológica de Silicon Valley; esos son dos mundos diferentes y tratar de unir a las personas de uno al otro es un desafío. Y es algo en lo que hay que enfocarse y trabajar abierta y activamente”.
Madurar desde pequeñas startups hasta grandes empresas con clientes exigentes y accionistas es un camino muy transitado para cientos de empresas tecnológicas en Silicon Valley y en todo el mundo.
Y las computadoras cuánticas están llegando allí: empresas como IonQ, Rigetti y D-Wave ya están listadas en Nasdaq y New York Stock Exchange, aunque estas dos últimas empresas han tenido que lidiar en varios momentos con la perspectiva de ser eliminadas de la lista debido a bajos precios de las acciones.
La mayoría de las empresas cuánticas con las que habló DCD para este artículo están pasando por una transición desde el modo de pura I+D hasta una fase más operativa.
“Cuando me uní hace cuatro años, la empresa estaba formada enteramente por doctorados”, dice Peter Chapman, CEO de IonQ. “Ahora estamos en medio de un cambio cultural de una organización académica a una organización de ingeniería. Hemos dejado de contratar doctorados; la mayoría de las personas que contratamos hoy en día son ingenieros de software, mecánicos y de hardware. Y la siguiente fase es hacia una empresa de productos centrada en el cliente”.
Chapman señala las contrataciones de personas como Pat Tan y Dean Kassmann, anteriormente en el Laboratorio126 de hardware de Amazon y en la empresa de cohetes Blue Origin, respectivamente, como evidencia de que la empresa se está moviendo hacia una fuerza laboral más centrada en productos e ingeniería.
En 2023, Chris Monroe, cofundador y científico jefe de IonQ, dejó la empresa para regresar a la academia en la Universidad de Duke en Carolina del Norte.
Durante la llamada de ganancias anunciando la partida de Monroe, Chapman dijo: “Chris sería el primero en decirte que la física detrás de lo que está haciendo IonQ ya está resuelta. Ahora es en gran medida un problema de ingeniería”.
Hays de Atom señala que gran parte del trabajo de ingeniería que está haciendo la empresa para prepararse para los servicios y aplicaciones en la nube es basado en software, lo que significa que la empresa está buscando ingenieros de software.
“Principalmente buscamos personas que hayan trabajado en proveedores de servicios en la nube o grandes empresas de software y que tengan interés en aprender o ya tengan algún conocimiento básico de la física y la ciencia subyacentes”, dice. “Pero tenemos la suerte de que esas personas se autoseleccionan y nos encuentran. Tenemos un número bastante alto de ingenieros de software que tienen licenciaturas en física y un gran interés en la mecánica cuántica, aunque por profesión y experiencia son ingenieros de software”.
Operacionalización de computadoras cuánticas
Las computadoras cuánticas en las instalaciones son actualmente rarezas reservadas principalmente para laboratorios nacionales de computación e instituciones académicas. La mayoría de los proveedores de unidades de procesamiento cuántico (QPU) ofrecen acceso a sus sistemas a través de sus propios portales web y a través de proveedores de nube pública.
Pero los sistemas de hoy, rara vez se espera (o se contrata) que funcionen con la resiliencia y redundancia de cinco nueves que podríamos esperar de hardware de silicio probado.
“En este momento, los sistemas cuánticos son más como supercomputadoras y se gestionan con una cola; probablemente no están en línea las 24 horas, los usuarios ingresan trabajos en una cola y reciben respuestas a medida que se ejecuta la cola”, dice Hays de Atom.
“Estamos acercándonos a cómo llegar más cerca de las 24/7 y cómo construir redundancia y conmutación por error para que si un sistema se ha desconectado para mantenimiento, haya otro disponible en todo momento. ¿Cómo construimos un sistema arquitectónicamente, donde podamos hacer cambios o actualizaciones con el menor tiempo de inactividad posible?”
Otros proveedores están pasando por fases similares de cómo hacer que sus sistemas, que actualmente son sensibles, temperamentales y complicados, estén listos para los centros de datos del mundo.
“Ya tengo un SLA firme con los chicos de la nube en torno a la cantidad de tiempo que hacemos trabajos diarios y los plazos para poder hacerlo”, dice Chapman. “Estamos llevando ese SLA a 24/7 y poder hacerlo sin tener un operador presente. No es perfecto, pero está mejorando. Dentro de tres o cuatro años, solo necesitarás estar de guardia cuando un componente muera”.
El CTO de Rigetti, David Rivas, dice que su empresa también está trabajando hacia tiempos de actividad más altos.
“Los sistemas mismos se están volviendo cada vez más autónomos cada trimestre”, dice, “a medida que los adaptamos para ese tipo de operación remota y nos aseguramos de que las instalaciones de producción puedan estar equipadas para ese tipo de operación”.
Físicos con destornilladores
La fabricación y reparación de estos sistemas también está madurando, desde las primeras generaciones de computadoras cuánticas construidas por doctorados. Estas nunca serán producidas en masa, pero la industria necesita alejarse de máquinas artesanales únicas hacia un enfoque más parecido a una línea de producción.
“Muchos de los componentes se construyen con la asistencia de ingenieros electrónicos, ingenieros mecánicos”, dice Hays de Atom, pero gran parte todavía es construida por físicos experimentales.
Chapman de IonQ agrega: “En nuestros sistemas de primera generación, necesitabas un físico con un destornillador para ajustar la máquina y poder ejecutar tu aplicación. Pero cada generación de hardware pone más bajo control de software.
“En todos los lugares donde se podía girar un destornillador, ahora hay un motor paso a paso bajo control de software, y el sistema operativo ahora está haciendo la sintonización.”
Simon Phillips, CTO de Oxford Quantum Circuits del Reino Unido, dice que OQC se centra en cómo contrata personal y trabaja con socios para implementar QPUs en centros de datos de colocación.
“Y la primera parte de eso comienza con si colocamos 10 QPUs en 10 ubicaciones alrededor del mundo, ¿cómo hacemos eso sin tener un ejército de 100 ingenieros cuánticos en cada instalación?
“Y la primera parte de eso comienza con tener un equipo de implementación separado y un equipo de ingeniería de confiabilidad del sitio que luego pueda ejecutar el SLA en esa máquina”.
“No todos los problemas son problemas cuánticos. No pueden ser solo ingenieros cuánticos; no es escalable si son las mismas personas haciendo todo”.
“Se trata de capacitación y comprender dónde se encuentran el primer y segundo nivel de soporte, tener un sistema en cascada y utilizar cualquier ayuda inteligente para poder capacitar a las personas que ya existen en los centros de datos”.
La cadena de suministro cuántica está madurando
Mientras las startups cuánticas están atravesando su propio proceso de maduración, sus proveedores también se ven obligados a comprender las necesidades de los operadores comerciales y lo que significa implementar en un centro de datos de producción.
Durante años, la cadena de suministro, incluidos los refrigeradores de dilución que mantienen muchos superenfriados de las computadoras cuánticas, ha tratado principalmente con clientes académicos en espacios de laboratorio, en gran medida autosuficientes.
Richard Moulds, director general de Amazon Braket en AWS, dijo a DCD que el mercado de los refrigeradores de dilución es una “industria artesanal” con pocos proveedores.
Uno de los principales proveedores de refrigeradores es Oxford Instruments, una empresa derivada de la Universidad de Oxford a fines de la década de 1950 que lanzó la primera unidad de dilución comercial en 1966. El otro gran incumbente, Blufors, se derivó de lo que ahora es el Laboratorio de Bajas Temperaturas en la Universidad Aalto en Finlandia hace 15 años.
Antes del auge de la computación cuántica, el mayor cambio en los últimos años fue la introducción de la tecnología de tubo de pulso. En lugar de un criostato insertado en un baño de helio, las computadoras cuánticas podían usar un sistema de bucle cerrado (también conocido como un criostato/dilucidador seco).
Esto significaba que los sistemas podían volverse más pequeños, más eficientes, más controlados por software y más amigables para el usuario.
“Con el refrigerador de dilución húmedo (o criostato húmedo), necesitas salas de dos pisos por la altura del techo. Necesitas técnicos para rellenar helio y ejecutar licuadores, necesitas comprar helio para seguir rellenando”, dice Harriet van der Vliet, gerente de segmento de productos, tecnologías cuánticas, Oxford Instruments.
“Fue un proceso bastante manual y tomaría quizás una semana solo para preenfriar y eso ni siquiera llegaría a la temperatura base”.
Durante años, los refrigeradores fueron el dominio de académicos que hacían ciencia de materiales; eran más propensos a ganar un premio Nobel que a ser parte de un contrato de computación.
“Históricamente, ha sido un producto de laboratorio. Nuestros clientes eran expertos en ultra-bajas temperaturas (ULT); si algo salía mal, ellos mismos lo arreglarían”, dice van der Vliet. “Ahora nuestros clientes han pasado de ser simplemente académicos a ser jugadores comerciales que necesitan sistemas fáciles de usar que sean de botón”.
Aunque la empresa se negó a desglosar números, Oxford dijo que ha visto un cambio “notable” en la demografía del cliente hacia clientes comerciales de computación cuántica en los últimos años, pero también un cambio en las tendencias de compra. Las empresas QPU son más propensas a comprar múltiples refrigeradores a la vez, en lugar de una unidad única cada pocos años para un laboratorio de investigación académica.
“La parte comercial está creciendo sin duda”, agrega David Gunnarsson, CTO de Blufors. La empresa ha ampliado la capacidad de la fábrica casi al doble para satisfacer la creciente demanda.
“Ha habido más y más intentos de generar ingresos con la tecnología de computación cuántica. Están comprando nuestros sistemas para implementarlos o tener una aplicación de la que piensan que pueden generar dinero. Agradecemos la discusión con los centros de datos para que puedan entender nuestra tecnología desde la perspectiva de la criogenia”.
Y aunque la industria está trabajando para minimizar los factores de forma tanto como sea posible, en el futuro previsible la industria ha optado esencialmente por el superenfriamiento a la fuerza bruta con refrigeradores más grandes. Ambas empresas han lanzado nuevos refrigeradores de dilución diseñados para computadoras cuánticas.
Los refrigeradores más pequeños (y sistemas de menor conteo de qubits) pueden caber en bastidores, pero la mayoría de los sistemas superenfriados de mayor conteo de qubits requieren una huella mucho más grande que los bastidores tradicionales. El sistema Kide más grande de Blufors puede enfriar alrededor de 1.000 qubits: el sistema tiene casi tres metros de altura y 2.5 metros de diámetro, y el piso debajo de él debe poder soportar alrededor de 7.000 kilogramos de peso.
“Ha cambiado la forma en que hacemos nuestro producto”, dice Gunnarsson. “Antes eran herramientas de laboratorio; el tiempo de actividad no se discutía mucho antes. Ahora estamos haciendo muchos cambios en nuestra línea de productos para asegurarnos de que puedas estar más seguro sobre cuál será el tiempo de actividad de tu sistema”.
Parte del desafío de tiempo de actividad al que se enfrentan los proveedores en torno a los refrigeradores, un área donde Gunnarsson señala que todavía hay algo de desajuste, está en el ciclo de calentamiento/enfriamiento de las máquinas.
Mientras que anteriormente los sistemas de baño húmedo podían tardar una semana en alcanzar las temperaturas requeridas, los nuevos sistemas secos podrían tomar solo uno o dos días en cada sentido. Eso es importante, porque los ciclos de enfriamiento y calentamiento son efectivamente tiempos de inactividad; una palabra sucia cuando se habla de disponibilidad de servicio.
“La velocidad con la que puedes llegar a la temperatura es casi tan importante como el tamaño del chip que realmente puedes enfriar”, dice Moulds de AWS. “Hoy, si quieres cambiar el silicio físico del dispositivo, tienes que calentar este dispositivo y luego enfriarlo de nuevo, eso es un ciclo de cuatro días. Eso es un problema; significa que las máquinas están fuera de línea durante mucho tiempo para cambios relativamente menores”.
Aunque esto puede no ser un problema para máquinas en operación, Rivas, CTO de Rigetti, dice que sus máquinas pueden estar en servicio durante meses seguidos, mientras que Oxford Instruments dice que un sistema de OQC estuvo en funcionamiento sin parar durante más de un año, el largo ciclo de calentamiento/enfriamiento es una barrera para las pruebas rápidas.
“Desde una perspectiva de producción, los sistemas permanecen fríos durante un tiempo relativamente largo”, dice Rivas. “Pero constantemente estamos probando chips en sistemas de prueba mientras innovamos y aumentamos la capacidad, y 48 horas para enfriar un chip es mucho tiempo en un ciclo de desarrollo general”.
Oxford Instruments y Blufors pueden ser los incumbentes, pero hay un número creciente de nuevos jugadores que ingresan al espacio de las neveras, algunos enfocándose específicamente en la computación cuántica.
“El mercado ha crecido para las neveras de dilución, así que hay muchas más startups en el espacio, también fabricando diferentes sistemas de enfriamiento”, dice van der Vliet. “Hay muchos más jugadores, pero el mercado está creciendo.
“Creo que es muy saludable que haya muchos jugadores en el campo, especialmente nuevos jugadores que están haciendo las cosas un poco diferente a cómo siempre las hemos hecho”.
Los incumbentes están bien posicionados para continuar liderando el mercado, pero los operadores de QPU tienen la esperanza de que la competencia resulte en mejores productos.
“Habrá una propiedad intelectual genuina que surgirá en esta área y definitivamente comenzarás a ver diseños personalizados y sistemas propietarios que pueden mantener la temperatura frente al aumento de la potencia”.
Hays de Atom señala que, para los sistemas cuánticos basados en láser, los propios láseres son probablemente la mayor limitación en la cadena de suministro. Al igual que las neveras de dilución, estos son tecnologías científicas en su mayoría fabricadas por un puñado de proveedores.
“Necesitamos láseres relativamente potentes que necesitan ser muy silenciosos y muy precisos”, dice. “Los nuestros son de estantería, pero son semipersonalizados y el fabricante construye bajo pedido. Eso significa que hay largos tiempos de espera; en algunos casos, hasta un año”.
Agrega que muchos de los circuitos integrados fotónicos siguen siendo relativamente pequeños, del tamaño de monedas de diez centavos, pero espera que puedan reducirse al tamaño de semiconductores en el futuro para ayudar a reducir el tamaño.
Ruido comercial: la muerte de la colaboración cuántica
Por ahora, la industria cuántica todavía está disfrutando de lo que podría ser el otoño de sus días académicos despreocupados. La próxima fase bien podría llevar a la supremacía cuántica y una nueva fase en la computación de alto rendimiento, pero probablemente llevará a una industria menos abierta.
“Creo que es bueno que la industria todavía esté en ese modo”, dice Moulds de AWS. “La industria todavía está adoptando un enfoque relativamente abierto para el desarrollo. Aún no estamos en el modo de que todos trabajen en sus búnkeres secretos, construyendo máquinas secretas. Pero la historia muestra que una vez que hay una oportunidad clara, hay un riesgo de que se cierren las persianas y se convierta en una industria más despiadada”.
“Al final, eso es bueno para los clientes; reduce los costos y aumenta la confiabilidad y el rendimiento. Pero podría sentirse un poco brutal para algunos de los académicos que están en la industria ahora”.
