Un diagrama de flujo del flujo de trabajo Hyperq. Crédito: Jason Nieh y Ronghui Gu
Las computadoras cuánticas han operado bajo una limitación significativa: solo pueden ejecutar un programa a la vez. Estas máquinas de un millón de dólares exigen un uso exclusivo incluso para las tareas más pequeñas, dejando gran parte de su costoso y rápido hardware inactivo y obligando a los investigadores a soportar largas colas.
Los investigadores de ingeniería de Columbia se han desarrollado HiperqUn sistema novedoso que permite a varios usuarios compartir una sola computadora cuántica simultáneamente a través de máquinas virtuales cuánticas aisladas (QVMS). Este desarrollo clave acerca la computación cuántica a la usabilidad del mundo real, más práctico, eficiente y ampliamente accesible.
“Hyperq lleva la virtualización al estilo de la nube a la computación cuántica”, dijo Jason Nieh, profesor de informática en Columbia Engineering y codirector del Laboratorio de Sistemas de Software. “Permite que una sola máquina ejecute múltiples programas a la vez, sin interferencia, sin esperar en línea”.
Superar un cuello de botella fundamental
Este enfoque marca un cambio dramático del modelo tradicional de un usuario en el tiempo. Al asignar dinámicamente los recursos cuánticos y programar de manera inteligente trabajos, Hyperq analiza las necesidades de cada programa y las dirige a las mejores partes del chip cuántico, por lo que múltiples tareas pueden ejecutarse a la vez sin ralentizarse entre sí.
Al igual que cómo los servidores en la nube revolucionaron la computación clásica al maximizar la eficiencia y la escalabilidad, Hyperq tiene como objetivo aportar el mismo potencial transformador a la computación cuántica, permitiendo un acceso más amplio, tiempos de respuesta más rápidos y un uso más productivo de recursos cuánticos limitados.
Este nuevo trabajo, dirigido por Nieh y Ronghui Gu, Profesor de Ciencias de la Computación de la Familia Tang Tang en Columbia, se presentará el 8 de julio en el 19º Simposio de Usenix sobre diseño e implementación de sistemas operativos (OSDI ’25), 7-9 de julio de 2025, en Boston.
Una nueva capa de control cuántico
Hyperq es una capa de software, un hipervisor, inspirado en la tecnología de virtualización que alimenta la computación en la nube moderna. Divide el hardware de una computadora cuántica física en múltiples máquinas virtuales cuánticas aisladas, más pequeñas y aisladas. Un planificador actúa como un jugador maestro de Tetris, empacando múltiples de estos QVM juntos para ejecutarse simultáneamente en diferentes partes de la máquina.
Los investigadores ejecutaron un prototipo de Hyperq en las computadoras cuánticas más grandes de IBM a través de la nube cuántica de IBM. Es el primero en introducir e implementar el concepto de máquinas virtuales para multiplexar hardware de computadora cuántica real, tenga en cuenta los investigadores.
“Los esfuerzos anteriores requerían compiladores especializados y necesitaban saber exactamente qué programas se ejecutarían juntos con anticipación”, dijo Runczhou Tao, autor principal del periódico y ex Ph.D. de Columbia. en el laboratorio de sistemas de software. “Nuestro enfoque funciona dinámicamente con las herramientas de programación cuántica existentes, que es mucho más flexible y práctico para el uso del mundo real”.
El sistema redujo los tiempos de espera promedio de los usuarios hasta 40 veces, transformando los tiempos de respuesta de días a solo horas. También permitió un aumento de hasta diez veces en el número de programas cuánticos ejecutados en el mismo plazo, lo que garantiza una utilización mucho mayor del costoso hardware cuántico. Sorprendentemente, la programación inteligente de Hyperq podría incluso mejorar la precisión computacional al alejar las cargas de trabajo sensibles lejos de las regiones más ruidosas del chip cuántico, señaló GU.
Amplio impacto en todas las industrias
El potencial del éxito de Hyperq es de gran alcance. Para los proveedores de nubes cuánticas como IBM, Google y Amazon, la tecnología ofrece una forma poderosa de servir a más usuarios con infraestructura de hardware existente, aumentando tanto la capacidad como la rentabilidad.
Para los investigadores académicos e investigadores de la industria, Hyperq significa un acceso mucho más rápido a los recursos de computación cuántica. Esta aceleración podría acelerar drásticamente el trabajo en áreas cruciales como el descubrimiento de fármacos, el desarrollo de materiales avanzados y la creación de soluciones energéticas más eficientes. En última instancia, estos avances tienen el potencial de ofrecer beneficios significativos a la sociedad, desde mejores resultados de la atención médica hasta tecnologías más sostenibles.
Mirando hacia el futuro
Nieh y su equipo planean extender las capacidades de Hyperq para admitir arquitecturas de computación cuántica emergentes, haciendo que Hyperq lo suficientemente flexible como para trabajar con todo tipo de computadoras cuánticas, y no solo en la que se probaron. De esa manera, a medida que evoluciona la tecnología cuántica, Hyperq puede continuar ayudando a muchos usuarios a compartir hardware cuántico de manera eficiente, independientemente de la tecnología subyacente.
Una nueva era para la computación cuántica
Hyperq representa un paso fundamental para transformar la computación cuántica de una herramienta científica potente pero limitada en una tecnología práctica preparada para impulsar un impacto significativo en el mundo real.
“En lugar de obligar a una persona a monopolizar toda la máquina, muchos usuarios ahora pueden compartir recursos cuánticos a la vez”, dijo Tao, ahora profesor asistente en la Universidad de Maryland, College Park. “Esto cambia el juego de la rapidez con que podemos abordar algunos de los problemas más desafiantes del mundo”.
Más información: Runczhou Tao et al, Máquinas virtuales cuánticas (2025)
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia
Cita: El sistema novedoso convierte los cuellos de botella cuánticos en avances (2025, 8 de julio) Recuperado el 8 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-quantum-pottlenecks-breakthroughs.html
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