A Qilimanjaro Quantum Tech, estem construint una nova manera de connectar els mons clàssic i quàntic d'avui. La nostra plataforma, SpeQtrum, reuneix QPUs digitals, CPUs i GPUs amb la nostra arquitectura quàntica analògica diferencial, tot dins d'un marc i punt d'accés únic i integrat. Aquest enfocament híbrid facilita als usuaris experimentar, executar algorismes i explorar el veritable potencial de la computació quàntica sense preocupar-se per la complexitat del maquinari subjacent.
Un dels pilars centrals d'aquesta visió és la Computació Quàntica Digital-Analògica (DAQC), un enfocament híbrid que uneix la precisió de la lògica digital amb la potència i el realisme de la física analògica.
La computació quàntica digital opera mitjançant portes lògiques ràpides i discretes que actuen sobre qubits individuals. Ofereix programabilitat i flexibilitat, però acumula errors ràpidament, ja que cada porta afegeix soroll que posteriorment s'ha de corregir.
La computació quàntica analògica, en canvi, aprofita directament les interaccions naturals entre qubits. En lloc d'executar llargues seqüències de portes, sintonitza contínuament els paràmetres físics del sistema per emular dinàmiques quàntiques reals, permetent que problemes complexos de molts cossos s'empaquetin de forma nativa dins del propi maquinari.
Combinant ambdós mons, DAQC aprofita subsistemes analògics per gestionar interaccions complexes de múltiples qubits, alhora que utilitza el control digital per a operacions locals precises d'un sol qubit. Aquest disseny híbrid redueix les taxes d'error i escurça la profunditat dels circuits, eliminant gran part de la sobrecàrrega de la correcció d'errors només digital. Estudis recents han demostrat que aquest model DAQC permet càlculs més ràpids, més grans i més fiables en els dispositius sorollosos d'avui, com veurem a continuació.
La plataforma de Qilimanjaro integra computació analògica, digital i quàntica clàssica per maximitzar els punts forts de cadascuna, desbloquejant un rendiment quàntic pràctic i un avantatge computacional anys abans que els fulls de ruta purament digitals.
Per què això és important ara
Amb l'hardware NISQ, les fonts de fallada dominants són els errors de portes de dos cúbits, els límits de coherència i els costos de calibratge. DAQC aborda aquestes limitacions executant operacions d'entrellat de múltiples cúbits com a evolucions analògiques contínues que substitueixen llargues cadenes de portes discretes. Això redueix l'error acumulat i escurça el temps d'execució en temps real, de manera que els càlculs es completen dins de les finestres de coherència.
El que mostra la investigació
El 2020 es va establir un treball fonamental de protocols DAQC universals que utilitzen un recurs analògic fix tipus Ising intercalat amb rotacions d'un sol qubit. A més, les simulacions van reportar un rendiment notablement millor que els circuits digitals igualment expressius en mides de problema comparables [1]. Aquest mateix any, una implementació digital-analògica de la Transformada de Fourier Quàntica (QFT) [2], la base de l'algoritme de factorització de nombres primers de Shor, va demostrar una fidelitat més alta sota soroll realista, amb una precisió que va millorar a mesura que augmentava el nombre de qubits en comparació amb una QFT completament digital. Això indica una millor escalabilitat per a algoritmes que depenen de l'estimació de fases.
Les comparacions posteriors a nivell de maquinari en prototips superconductors el 2024 van demostrar que, en canals de soroll representatius d'un i dos cúbits, les realitzacions digitals-analògiques de la QFT i l'estimació de fases van aconseguir constantment fidelitats més altes que les versions només digitals.
Diagrama que exemplifica la híbridació del control digital i analògic en arquitectures DAQC.
La combinació del control digital amb la dinàmica analògica permet executar models de materials complexos amb moltes menys portes. Això es tradueix en simulacions més ràpides, més barates i més fiables en els dispositius actuals, la qual cosa, al seu torn, ajuda els equips d'R+D a provar materials candidats abans i amb menys assaig i error [3].
Aquest any, els investigadors han pogut combinar experimentalment un conjunt universal de portes amb una evolució analògica calibrada a escala de xip en dispositius superconductors [4]. Tot i que la part analògica no era programable arbitràriament, el sistema encara va arribar a règims superiors als clàssics, posant de manifest com, fins i tot amb un control analògic molt limitat, el càlcul digital-analògic ofereix tant escala com amplitud.
No només això, DAQC també és altament probable que es beneficiï l'aprenentatge automàtic quàntic (QML) algoritmes. La capa digital permet la preparació ràpida d'estats de codificació de dades (codificacions de base/angle/amplitud i re-càrregues lleugeres) mentre que els Hamiltonians analògics natius actuen com a reserves riques o mapes de característiques de temps continu [5], produint una gran profunditat efectiva amb un nombre fix de portes. La dinàmica analògica estructurada pot millorar l'entrenabilitat i mitigar les planúries estèrils, amb el soroll del dispositiu servint de vegades com a regularització implícita. Tractant els temps d'evolució i els acoblaments de qubits com a paràmetres entrenables implementa models d'aprenentatge automàtic expressius amb menys paràmetres i menys sobrecàrrega de compilació que els enfocaments QML totalment digitals. En conjunt, aquestes propietats suggereixen una major eficiència de costos i millorades capacitats d'aprenentatge per a aplicacions QML a curt termini.
Implicacions per al negoci
Per a aplicacions a curt termini —especialment en simulació quàntica per a materials, química i QML—, DAQC ofereix resultats de més alta qualitat sense haver d'esperar a màquines amb correcció d'errors completa. Críticament, una plataforma DAQC és l'opció més versàtil avui dia: pot executar algorismes que es beneficien de l'evolució analògica i aquells que afavoreixen les portes digitals, capturant avantatges observats en ambdós fronts.
Reduir la profunditat del circuit i millorar la resiliència al soroll redueixen els sobrecàrregues de calibratge i d'execució. Això, al seu torn, redueix el nombre de repeticions necessàries per assolir la precisió desitjada i disminueix els costos d'execució al núvol. El control multimodal preserva l'opcionalitat: els blocs analògics es poden intercanviar o co-dissenyar si cal. La mateixa pila roman compatible amb la mitigació d'errors ara i els modes corregits d'errors més endavant, facilitant la migració a mesura que millora el maquinari. Els adoptants d'aquest paradigma poden obtenir beneficis de rendiment immediats alhora que es mantenen compatibles amb els futurs règims de mitigació d'errors i correcció d'errors.
A Kilimanjaro, aquest paradigma DQAC no és només teòric, està integrat en la nostra tecnologia. A través de SpeQtrum, els usuaris poden dissenyar i executar algorismes digitals-analògics dins del mateix plataforma quàntica superconductora, canviant fluidament entre operacions basades en portes i evolucions analògiques natives. Aquesta infraestructura unificada fa possible explorar una àmplia gamma de casos d'ús com la simulació quàntica, l'optimització i l'aprenentatge automàtic, sense necessitat de maquinari o fluxos de treball separats. En combinar la flexibilitat digital amb l'eficiència analògica sota un mateix sostre, Qilimanjaro aporta avui el poder de la computació quàntica digital-analògica a l'experimentació pràctica i del món real.
Referències
- Parra-Rodríguez, A.; Lougovski, P.; Lamata, L.; Solano, E.; Sanz, M.
Computació quàntica digital-analògica. Physical Review A 101, 022305 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevA.101.022305. - Martín, A.; Lamata, L.; Solano, E.; Sanz, M.
Algorisme quàntic digital-analògic per a la transformació de Fourier quàntica. Physical Review Research 2, 013012 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.013012. - García-Molina, P.; Martín, A.; Garcia de Andoin, M.; Sanz, M.
Mitigació del soroll en la computació quàntica digital i digital-analògica. Communications Physics 7, 321 (2024). DOI: 10.1038/s42005-024-01812-5. - Andersen, T.I et al. Termalització i criticitat en un simulador quàntic analògic-digital. Natura 638, 79–? (publicat en línia el 5 de febrer de 2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08460-3.
- De Lorenzis, A. et al. – Qilimanjaro
Aprofitant les màquines d'aprenentatge quàntic extremes per a la classificació d'imatges.
Physical Review Applied 23, 044024 (2025). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.044024.
