Los cúbits de espín de silicio se consideran una de las grandes promesas de la computación cuántica porque pueden fabricarse con los mismos métodos que los chips actuales. Sin embargo, cada vez que los investigadores intentaban controlar varios a la vez, la precisión de las operaciones se degradaba de forma inaceptable.
Ese freno acaba de ceder. Un equipo del centro RIKEN ha logrado operar cinco cúbits simultáneamente manteniendo una fidelidad cercana al 99,9%, un nivel que se aproxima al exigido para una computación cuántica tolerante a fallos.
La clave no estaba en rediseñar los cúbits, sino en un fenómeno físico sutil que pasaba desapercibido. Su identificación y corrección abre una vía práctica hacia procesadores cuánticos escalables.
El cuello de botella silencioso de la computación cuántica
Los cúbits de espín de silicio tienen una ventaja considerable: pueden fabricarse con los mismos métodos semiconductores que producen los chips actuales. Eso los hace especialmente atractivos para la industria, que no tendría que inventar una cadena de fabricación completamente nueva.
Pero hay un problema que ha frenado su desarrollo. Cuando los investigadores intentaban controlar varios cúbits al mismo tiempo, la precisión de las operaciones caía de forma drástica. Un cúbit individual funcionaba bien. Varios a la vez, no tanto.
Para construir ordenadores cuánticos prácticos y tolerantes a fallos, es imprescindible controlar muchos cúbits simultáneamente sin perder fidelidad. Sin esa capacidad, el escalado se convierte en una promesa vacía.
Un error escondido en las microondas
Los investigadores del RIKEN Center for Emergent Matter Science identificaron al culpable principal: el desplazamiento AC Stark. Este fenómeno ocurre cuando las señales de microondas que controlan los cúbits alteran sus niveles de energía efectivos.
El resultado son cambios de fase no deseados en el estado cuántico de cada cúbit. Esos cambios interfieren con las operaciones y corrompen los cálculos de forma silenciosa.
El problema se agrava cuando varios cúbits comparten una misma línea de control por microondas. Y ese es justo el diseño que se necesita para escalar: dar a cada cúbit su propio sistema de control independiente resultaría insostenible en sistemas grandes. La solución técnica creaba, a su vez, un nuevo obstáculo.
Calibración por parejas: la solución práctica
El equipo desarrolló un método de calibración que compensa esos desplazamientos de fase no deseados. La idea es elegante por su simplicidad: en lugar de calibrar cada combinación posible de cúbits, se realizan calibraciones entre pares.
Esto hace que la técnica sea viable para sistemas con un número creciente de bits cuánticos. La complejidad no explota exponencialmente a medida que se añaden cúbits.
Yi-Hsien Wu, primer autor del estudio, lo explica con claridad: este enfoque evita un procedimiento de calibración independiente para cada combinación posible. Sin esa simplificación, el método no tendría utilidad práctica más allá de sistemas muy pequeños.
Precisión récord con cinco cúbits a la vez
Los resultados hablan por sí solos. Cada cúbit individual alcanzó una fidelidad de puerta superior al 99,99%, y el mejor se acercó al 99,999%. Esa cifra describe cuán fielmente una operación cuántica produce el resultado deseado.
Con tres cúbits operando simultáneamente, la fidelidad se mantuvo por encima del 99,99%. El sistema no perdió precisión al añadir complejidad.
Incluso con los cinco cúbits activos a la vez, la precisión se mantuvo en torno al 99,9%. Ese nivel se acerca a los umbrales necesarios para la computación cuántica tolerante a fallos, donde los errores pueden corregirse de forma fiable.
El siguiente reto: la decoherencia inducida
La calibración redujo los errores, pero no los eliminó por completo. Queda una pérdida de precisión residual que los investigadores atribuyen a la decoherencia inducida por la mayor potencia de microondas.
Operar varios cúbits a la vez exige más potencia de control. Esa potencia adicional perturba la delicada coherencia cuántica necesaria para que las operaciones sean fiables.
Leon Camenzind, científico del RIKEN que supervisó los experimentos, reconoce esta limitación. Pero señala que mejoras adicionales en el diseño del dispositivo podrían mitigar esta fuente de error. No es un callejón sin salida, sino el siguiente problema técnico a resolver.
Hacia procesadores cuánticos escalables
Los resultados demuestran algo importante: controlar varios cúbits de espín de silicio a la vez no exige sacrificar precisión de forma drástica. El cuello de botella no era inherente a la tecnología.
Las líneas de control compartidas se presentan como una vía práctica para ampliar los sistemas. Evitan la complejidad de dar a cada cúbit su propio sistema de control independiente, algo que haría inmanejables los dispositivos grandes.
Seigo Tarucha, director del proyecto, subraya que el control paralelo fiable es un paso esencial hacia el objetivo a largo plazo: construir un ordenador cuántico tolerante a fallos basado en cúbits de espín de silicio. La combinación de esta técnica con la compatibilidad del silicio con la fabricación de semiconductores existente podría acelerar el camino hacia procesadores cuánticos más grandes y capaces.