Un chip cuántico crea entrelazamiento entre seis modos acústicos y lo transfiere entre resonadores

Dos resonadores acústicos comparten un avance cuántico

Un equipo de investigación dirigido por Dian Tan, de la Academia Internacional de Cuántica de Shenzhen, en colaboración con la Universidad de Stuttgart y otras instituciones, ha creado entrelazamiento cuántico entre dos, cuatro y seis modos acústicos en un chip híbrido. El equipo también transfirió estados entrelazados de dos y cuatro modos entre dos resonadores mecánicos separados, demostrando tanto la preparación como el desplazamiento de información cuántica transportada por vibraciones.

El resultado más destacado en la preparación de un estado entrelazado fue una fidelidad de 0.912 ± 0.003 para dos modos. La fidelidad mide en qué grado un estado cuántico experimental coincide con el estado previsto; 1 representa una coincidencia perfecta. Los valores correspondientes fueron 0.790 ± 0.003 para cuatro modos y 0.570 ± 0.001 para seis modos.

El estudio publicado en Science, titulado Generación determinista y distribución de entrelazamiento multipartito genuino en resonadores acústicos macroscópicos, tiene fecha de publicación del 15 de octubre de 2026. El instituto de Shenzhen anunció el trabajo el 16 de octubre.

El experimento reúne tres tareas necesarias para un sistema cuántico acústico de mayor tamaño: crear estados cuánticos compartidos, trasladarlos entre unidades de hardware y medirlos. Su estado más ambicioso involucró seis modos acústicos, mientras que los experimentos de transferencia abarcaron dos y cuatro modos.

Cómo transportan información cuántica las vibraciones

El chip utiliza fonones, las unidades cuánticas de la vibración mecánica. Un fonón desempeña en las vibraciones un papel comparable al de un fotón en la luz: describe una cantidad discreta de energía en un sistema cuántico.

Los dispositivos mecánicos son resonadores acústicos de volumen con sobretonos altos, o HBAR. Cada uno admite muchos modos acústicos, es decir, patrones de vibración distintos a frecuencias diferentes. Un instrumento puede producir varias notas musicales; de manera similar, un resonador admite varios patrones de vibración, aunque controlar sus estados cuánticos requiere equipos mucho más precisos.

Los HBAR resultan atractivos para los investigadores porque combinan varios modos, tiempos de almacenamiento relativamente prolongados y compatibilidad con la integración en chips. Varios modos dentro de un mismo dispositivo pueden ofrecer distintos lugares donde codificar información cuántica, lo que reduce la necesidad de contar con un componente mecánico independiente para cada modo.

¿Qué hace que el entrelazamiento sea genuino?

Tan y sus colegas generaron entrelazamiento multipartito genuino. En términos sencillos, las conexiones cuánticas corresponden al conjunto completo de modos participantes. El estado no puede dividirse en grupos independientes más pequeños que contengan todo su entrelazamiento.

Por ejemplo, seis modos organizados en tres pares entrelazados independientes tendrían una estructura distinta de la de un entrelazamiento genuino compartido por los seis. Este último proporciona a los investigadores un recurso cuántico colectivo que podría permitir operaciones en varias partes de un procesador o una red.

Tan describió esta conexión compartida como un recurso para redes cuánticas con varios nodos y para el procesamiento distribuido de información cuántica. Un nodo es una unidad individual capaz de almacenar o procesar información cuántica. El procesamiento distribuido repartiría una tarea entre unidades conectadas.

Los autores describen en el resumen del artículo el logro experimental:

«Presentamos la generación y transferencia de entrelazamiento genuino multimodo entre dos resonadores acústicos multimodo».

Por tanto, el hardware aborda tanto la creación de un estado colectivo como la capacidad de trasladarlo entre dispositivos mecánicos distintos. Ambos son requisitos independientes para conectar componentes cuánticos acústicos en un sistema de mayor tamaño.

Un cúbit superconductor controla varios modos

Los investigadores acoplaron los resonadores acústicos a cúbits superconductores sintonizables. Un cúbit es una unidad controlable de información cuántica. En este experimento, los cúbits permiten preparar, manipular y medir los estados cuánticos mecánicos.

El equipo diseñó cuidadosamente la distribución de las frecuencias de los modos acústicos y la interacción entre los cúbits y los fonones. Esto permitió que un cúbit superconductor interactuara con fuerza con varios modos mecánicos, de modo que los investigadores pudieran acceder a varios patrones de vibración mediante un elemento de control compartido.

Un acoplamiento fuerte significa que la interacción basta para realizar intercambios controlados de información cuántica antes de que las pérdidas y las perturbaciones no deseadas dominen el proceso. Seleccionar y controlar varios modos es fundamental para convertir los numerosos patrones de vibración de un resonador en recursos cuánticos útiles.

La arquitectura resultante combina distintos tipos de hardware cuántico: los resonadores mecánicos almacenan estados acústicos, los cúbits superconductores los controlan y un acoplador cuántico sintonizable conecta partes del circuito. La integración de estos elementos en un chip constituye la base del diseño modular que propone el equipo.

Qué indican las cifras de preparación

El artículo de Science presenta las siguientes fidelidades para la preparación de los estados entrelazados previstos:

• Dos modos: 0.912 ± 0.003, o una fidelidad del 91.2%.
• Cuatro modos: 0.790 ± 0.003, o una fidelidad del 79.0%.
• Seis modos: 0.570 ± 0.001, o una fidelidad del 57.0%.

El descenso permite apreciar el costo de una mayor complejidad. Al pasar de dos a seis modos participantes, la fidelidad medida disminuyó 34.2 puntos porcentuales. Un mayor número de modos amplía el tamaño del estado cuántico compartido, pero también exige más de los procesos de preparación y control.

La fidelidad describe el grado de semejanza entre el estado medido y el estado previsto. La incertidumbre que aparece después de cada valor indica la incertidumbre comunicada para esa medición. Los investigadores identifican los tres estados preparados como estados genuinamente entrelazados.

Los autores también describen su método como determinista. Esto significa que la preparación está diseñada para producirse mediante una secuencia controlada, en lugar de depender de la selección ocasional de sucesos aleatorios exitosos. El funcionamiento determinista y la fidelidad describen aspectos distintos del rendimiento: una secuencia de preparación controlada puede producir aun así un estado imperfecto.

Trasladar el entrelazamiento entre nodos mecánicos

El experimento de transferencia utilizó dos resonadores HBAR separados, integrados con cúbits superconductores y un acoplador sintonizable dentro de la misma arquitectura de chip híbrido. El equipo intercambió información cuántica entre los resonadores y transfirió estados entrelazados de un nodo mecánico al otro.

Para los estados de dos modos, la fidelidad de transferencia comunicada fue de 0.785 ± 0.006. Para los estados de cuatro modos, fue de 0.601 ± 0.006. En porcentajes, esos valores equivalen al 78.5% y al 60.1%.

Los resultados de transferencia amplían el experimento más allá de la preparación de entrelazamiento dentro del hardware acústico. Demuestran una vía para trasladar un estado cuántico compartido a otro resonador, una operación necesaria cuando distintos nodos deben almacenar o procesar diferentes partes de un cálculo.

Las demostraciones de transferencia comunicadas abarcan dos y cuatro modos; extenderla a seis modos es una tarea pendiente. La conexión demostrada es entre resonadores del mismo chip, mientras que la red más amplia propuesta se construiría añadiendo más unidades de hardware conectadas.

Dos cúbits miden un estado acústico de mayor tamaño

Los investigadores también desarrollaron un método de tomografía cuántica que reutiliza cúbits superconductores para medir varios modos acústicos. La tomografía reconstruye un estado cuántico a partir de numerosas mediciones realizadas en preparaciones repetidas del experimento.

Este paso es importante porque generar una secuencia de control es solo una parte del experimento. Los investigadores necesitan mediciones que revelen el estado que realmente crearon, incluidas las correlaciones entre sus distintos modos.

El equipo utilizó solo dos cúbits superconductores para realizar la tomografía de los estados de fonones entrelazados multimodo. Al reutilizar esos recursos de medición en distintos modos, evitó asignar un cúbit de medición independiente a cada modo acústico.

Tan describió el resultado como la caracterización experimental más amplia de estados de fonones multimodo realizada hasta entonces en una plataforma de acústica cuántica. Esa afirmación se refiere a la escala de la reconstrucción del estado. La aportación práctica es un método de medición que aprovecha mejor un número limitado de cúbits a medida que crece el sistema acústico.

Por qué importa la disposición del chip

La arquitectura bidimensional del chip del equipo aborda una limitación física a la hora de ampliar estos experimentos. Los diseños tradicionales basados en cavidades de microondas tridimensionales afrontan exigencias de espacio e ingeniería cuando los investigadores intentan conectar más componentes.

Tan señaló que el enfoque basado en chips ofrece modularidad, integración y margen para ampliarse. La disposición propuesta acoplaría cúbits superconductores individuales a resonadores mecánicos separados y, a continuación, conectaría los cúbits mediante acopladores controlables.

Cada resonador añadido podría aportar varios modos acústicos. Por tanto, el diseño ofrece dos vías de expansión: conectar más nodos de resonadores y utilizar más de los modos que admite cada resonador.

Las cifras de preparación y transferencia también muestran el trabajo que queda por hacer. La fidelidad disminuyó al aumentar el número de modos participantes, y las fidelidades de transferencia demostradas fueron inferiores a los valores correspondientes de preparación. Un procesador de mayor tamaño tendría que preservar estados útiles mientras aumenta tanto el número de modos como el de conexiones.

De este experimento a una red más amplia

El logro inmediato es una plataforma de laboratorio que combina entrelazamiento multimodo, transferencia entre nodos mecánicos y reconstrucción de estados. La secuencia de pasos demostrados y propuestos es la siguiente:

• 15 de octubre de 2026: La publicación en Science documenta la preparación de estados genuinamente entrelazados de dos, cuatro y seis modos, así como la transferencia de estados de dos y cuatro modos.
• 16 de octubre de 2026: El instituto de Shenzhen anuncia los resultados de la colaboración y describe su método de control y medición.
• Próxima etapa propuesta: Añadir más resonadores HBAR y cúbits superconductores, conectados mediante acopladores controlables, para ampliar los recursos de entrelazamiento disponibles.

El equipo no ha fijado una fecha para una red más amplia. Su propuesta se basa directamente en el hardware demostrado: utilizar los resonadores como módulos, sus modos acústicos como recursos cuánticos y los circuitos superconductores para controlarlos y conectarlos.

Para la investigación en computación cuántica, la aportación es concreta. El experimento muestra cómo varios modos de vibración pueden compartir un estado cuántico genuino, cómo un estado entrelazado puede trasladarse entre resonadores y cómo dos cúbits pueden ayudar a reconstruir un estado acústico de mayor tamaño. Para ampliar este enfoque, los próximos requisitos son mejorar la fidelidad y aumentar el número de nodos conectados.

Puntos clave

• El equipo de Dian Tan y sus colaboradores internacionales preparó estados genuinamente entrelazados de dos, cuatro y seis modos acústicos.
• Las fidelidades de preparación fueron del 91.2%, el 79.0% y el 57.0%, respectivamente.
• Se transfirieron estados entrelazados de dos y cuatro modos entre resonadores separados, con fidelidades del 78.5% y el 60.1%.
• Se reutilizaron dos cúbits superconductores para reconstruir mediante tomografía los estados de fonones multimodo.
• El equipo propone ampliar la arquitectura del chip con más resonadores, cúbits y conexiones controlables.