Investigadores logran operar simultáneamente cinco qubits de silicio mediante una única línea de control por microondas, con una precisión del 99.9%

El rendimiento de un ordenador cuántico no solo depende de la cantidad de qubits que contiene, sino también de cuán precisamente pueden trabajar en conjunto. Recientemente, investigadores demostraron un método para operar simultáneamente cinco qubits basados en silicio a través de una única línea de control por microondas, manteniendo una precisión de operación del 99.9% o más. Este método podría facilitar la expansión de futuros procesadores cuánticos sin necesidad de establecer líneas de control separadas para cada qubit. Sin embargo, controlar múltiples qubits no es tan simple como enviar señales de microondas. Los ordenadores cuánticos necesitan realizar operaciones en paralelo para ejecutar rutinas de corrección de errores, lo que ayuda a proteger la frágil información cuántica.

Sin embargo, la señal utilizada para controlar un qubit puede interferir con los qubits adyacentes, reduciendo así su precisión de operación. En experimentos anteriores, este problema hizo que la fidelidad de las puertas —una medida de la precisión con la que se ejecutan las operaciones cuánticas— cayera del 99.95% a aproximadamente 99.5%. Los investigadores señalaron: "En dispositivos de silicio, el control simultáneo sigue siendo un desafío importante, ya que la fidelidad tiende a disminuir bajo operaciones paralelas."

Desafíos en el control de múltiples qubits

Investigadores de RIKEN en Japón y sus instituciones colaboradoras han identificado ahora la principal fuente de esta interferencia y han desarrollado un método de compensación. Este desplazamiento de frecuencia oculto hace que los qubits pierdan su dirección correcta. El equipo de investigación utilizó cinco qubits compuestos por espines electrónicos, que están atrapados en pequeñas estructuras llamadas puntos cuánticos y ubicados dentro de dispositivos de silicio/silicio-germanio. Los investigadores añadieron: "Los qubits de espín de silicio ofrecen un camino prometedor hacia la computación cuántica escalable, ya que son compatibles con la fabricación de semiconductores industriales." Las señales de microondas controlan estos qubits, pero la señal dirigida a un qubit también puede afectar a los qubits adyacentes.

Este efecto no deseado se conoce como diafonía, que puede reducir la precisión de las operaciones cuánticas incluso si los qubits adyacentes no son el objetivo. Los investigadores rastrearon la principal fuente de esta interferencia al fenómeno conocido como desplazamiento AC Stark. Las señales de microondas pueden alterar los niveles de energía efectivos de los qubits adyacentes, cambiando la evolución de su estado cuántico. Esto produce un desplazamiento de fase no deseado —una variación temporal relativa de la onda que describe el estado cuántico— que puede desviar la operación esperada de la dirección correcta.

El equipo de investigación descubrió que estos desplazamientos de fase pueden preverse midiendo la influencia de los qubits individuales entre sí. Utilizaron estos resultados de medición para compensar los cambios no deseados mientras varios qubits operan juntos, evitando la necesidad de calibrar cada posible combinación por separado. La autora principal del estudio, Wu Yihsien, explicó: "Nuestro método compensa los desplazamientos de fase no deseados a través de la calibración entre pares de qubits, sin necesidad de realizar procedimientos de calibración completamente independientes para cada posible combinación de qubits." Los resultados mostraron la efectividad de este método. Al operar de manera individual, la fidelidad de las puertas de los cinco qubits superó el 99.99%, alcanzando un mejor rendimiento cercano al 99.999%.

Potencial y desafíos para la expansión futura

Cuando hasta tres qubits operan simultáneamente, su fidelidad se mantiene por encima del 99.99%. Incluso cuando cinco qubits funcionan al mismo tiempo, su fidelidad de puerta se mantiene en 99.9% o más. Esta precisión alcanza el estándar de uso general para la computación cuántica tolerante a fallos, donde las técnicas de corrección de errores ayudan a proteger los cálculos de los efectos de errores. Sin embargo, esto no significa que los investigadores hayan construido un ordenador cuántico completamente tolerante a fallos.

El uso de líneas de microondas compartidas puede reducir la cantidad de conexiones de control necesarias para procesadores grandes, ahorrando espacio y potencialmente reduciendo el calor generado por el hardware de control. Los investigadores ven este método como la base para módulos futuros que podrían incluir alrededor de diez qubits, aunque esta configuración más grande sigue siendo un objetivo futuro y no un resultado probado. Otros desafíos aún persisten. Señales de microondas más fuertes pueden acelerar las operaciones, pero también introducir perturbaciones no deseadas que interfieren con el delicado estado cuántico de los qubits. El equipo propuso mejorar el control de los espines electrónicos mediante la integración de pequeños imanes en la capa de interconexión del chip.

Estos imanes mejorados pueden generar campos magnéticos locales más fuertes, permitiendo potencialmente operaciones más rápidas con menor potencia de microondas. Actualmente, este logro aborda uno de los obstáculos para la expansión de los ordenadores cuánticos de silicio: mantener un control preciso mientras múltiples qubits operan en conjunto. Antes de poder soportar una computación cuántica tolerante a fallos práctica, será crucial expandir este método a arreglos más grandes y controlar otras fuentes de error. La investigación se publicó en la revista Nature Physics.