Una línea de control, cinco cúbits y una solución a las interferencias no deseadas
Investigadores del Centro RIKEN de Ciencia de la Materia Emergente de Japón y sus colaboradores operaron cinco cúbits cuánticos de silicio a través de una única línea de microondas compartida, manteniendo la precisión de las operaciones individuales en torno al 99,9% o más. Cuando operaron juntos hasta tres cúbits, la precisión superó el 99,99% en cada uno, lo que aborda un problema que ha dificultado el control de procesadores cuánticos de silicio de mayor tamaño.
Contenido
- Una línea de control, cinco cúbits y una solución a las interferencias no deseadas
- Qué significan las cifras de precisión
- Cómo funciona el dispositivo de silicio
- Por qué los cúbits no pueden simplemente turnarse
- El efecto de las microondas que causa los errores
- Las mediciones por pares reducen la carga creciente de calibración
- Los pulsos más suaves ayudaron a conservar la precisión
- Qué sigue limitando el funcionamiento de los cinco cúbits
- Del primer manuscrito a un objetivo de investigación más amplio
- Puntos clave
El estudio, publicado en Nature Physics el 15 de octubre de 2026, identifica las propias señales de microondas como una fuente importante de interferencia. Las señales destinadas a un cúbit modifican las condiciones de funcionamiento de otros. El equipo midió esos cambios no deseados entre pares de cúbits y luego ajustó las señales de control para compensarlos.
El resultado conecta dos problemas que deben resolverse en conjunto: mantener la precisión de las operaciones cuánticas y reducir la cantidad de cableado necesaria para controlar un procesador cada vez mayor. Una línea de microondas compartida simplifica la arquitectura de control, mientras que el método de calibración ayuda a conservar la precisión cuando varios cúbits funcionan al mismo tiempo.
Leon Camenzind, investigador del RIKEN y coautor principal que supervisó los experimentos, describió el avance en el comunicado de prensa en inglés del RIKEN, fechado el 16 de octubre.
«Esto demuestra que se puede mantener un control de alta fidelidad incluso cuando varios cúbits funcionan al mismo tiempo y representa un paso importante hacia la ampliación de los procesadores cuánticos basados en silicio».
Qué significan las cifras de precisión
El artículo de Nature Physics, titulado «Puertas de un solo cúbit de alta fidelidad simultáneas en un conjunto de cúbits de espín», presenta mediciones de operaciones básicas llamadas puertas. Una puerta modifica el estado cuántico de un cúbit. La fidelidad indica en qué medida esa operación coincide con el resultado previsto.
Los cinco cúbits alcanzaron individualmente fidelidades de puerta muy superiores al 99,99%; algunas se acercaron al 99,999%. El equipo mantuvo una fidelidad superior al 99,99% mientras operaban simultáneamente hasta tres cúbits. Para los cinco en funcionamiento simultáneo, el artículo informa de un rendimiento del 99,9% o más; el RIKEN resume el resultado como aproximadamente un 99,9%.
Las cifras decimales adicionales son importantes. Al restar la fidelidad de 100% se obtiene una medida del error promedio de las puertas: un 99,9% corresponde a un 0,1%, mientras que un 99,99% corresponde a un 0,01%. Pasar de un nivel al otro reduce esa medida por un factor de diez. La corrección de errores cuánticos depende en gran medida de que esos errores sean pequeños a lo largo de muchas operaciones.
El equipo midió puertas X e Y básicas, que hacen girar el estado de un cúbit individual alrededor de distintos ejes. Estas operaciones son elementos fundamentales de los circuitos cuánticos. La ejecución simultánea de varias de estas puertas permite que distintas partes del procesador funcionen juntas en lugar de esperar su turno.
Cómo funciona el dispositivo de silicio
Los cinco cúbits ocupan regiones diminutas llamadas puntos cuánticos en una estructura de silicio y silicio-germanio. Electrodos metálicos crean y controlan esas regiones confinadas. La información se codifica en el espín del electrón, una propiedad cuántica que puede manipularse mediante señales de microondas.
El dispositivo utiliza silicio enriquecido con el isótopo silicio-28. El anuncio de la investigación en japonés del RIKEN explica que el silicio-28 no tiene espín nuclear, lo que ayuda a crear un entorno magnético más estable para los espines de los electrones que transportan la información.
Tres capas superpuestas de electrodos de aluminio definen el conjunto. Un pequeño imán de cobalto crea un campo magnético que varía a través del dispositivo y da a los cúbits vecinos frecuencias de funcionamiento separadas por unos 150 megahercios. Esas diferencias de frecuencia permiten a los investigadores dirigirse a cúbits individuales aunque compartan el electrodo de microondas.
La línea compartida transporta pulsos de microondas combinados destinados a distintos cúbits. Otros electrodos siguen realizando tareas diferentes, como dar forma a los puntos cuánticos y ajustar las interacciones entre ellos. La reducción del cableado se refiere a la infraestructura de control por microondas, uno de los aspectos difíciles de ampliar en este tipo de procesador.
Por qué los cúbits no pueden simplemente turnarse
Los cúbits de espín de silicio pierden las relaciones precisas entre los componentes de sus estados cuánticos mientras esperan. Esta pérdida, llamada desfasaje, puede alterar la información antes de que comience la siguiente operación. En este dispositivo, el tiempo promedio de desfasaje en reposo fue de unos 10,3 microsegundos, es decir, 10,3 millonésimas de segundo.
El artículo informa de tiempos de coherencia durante la operación con pulsos de unos 100 microsegundos, aproximadamente diez veces el tiempo de desfasaje en reposo. Una medición de eco de Hahn, que utiliza una secuencia de control para contrarrestar algunas formas de desfasaje, dio un promedio de unos 60 microsegundos. Cada medición describe los cúbits en condiciones de funcionamiento diferentes.
Estos tiempos breves hacen que el control en paralelo sea una necesidad práctica. Si un procesador grande operara cada cúbit por turno, muchos otros pasarían un tiempo valioso inactivos. La corrección de errores cuánticos también necesita operaciones coordinadas en grupos de cúbits para detectar y gestionar errores.
El control en paralelo también ha tenido un costo en precisión. El artículo de Nature Physics cita experimentos anteriores con silicio y silicio-germanio en los que la fidelidad bajó del 99,95% al 99,5% cuando solo dos cúbits operaban simultáneamente. El equipo del RIKEN investigó la causa física de ese deterioro y una forma de compensarlo.
El efecto de las microondas que causa los errores
Los investigadores identificaron el desplazamiento Stark de corriente alterna como la principal causa de la pérdida de precisión durante el control en paralelo. Un campo de microondas puede modificar los niveles de energía efectivos de un cúbit incluso cuando su frecuencia es distinta de la utilizada para dirigirse a ese cúbit.
La fase de un cúbit describe una relación entre los componentes de su estado cuántico. Un cambio en la separación de sus niveles de energía modifica la evolución de esa fase con el tiempo. Un desplazamiento de fase inesperado significa que el siguiente pulso de control actúa sobre un estado que ya se ha alejado de la posición prevista por los investigadores.
El equipo midió directamente esta interferencia entre los cúbits denominados Q3 y Q4. La activación de Q4 produjo un desplazamiento de fase de unos 0,0379 radianes en Q3, mientras que la activación de Q3 produjo un desplazamiento de unos −0,0026 radianes en Q4. Los efectos desiguales reflejaron las distintas potencias de microondas necesarias para operar ambos cúbits a la misma velocidad.
Los desplazamientos de fase aumentaron aproximadamente con el cuadrado de la amplitud de la señal de control. En términos simples, duplicar la amplitud podía generar un desplazamiento de fase aproximadamente cuatro veces mayor según la relación medida. Por lo tanto, las señales de control más intensas aumentaban la necesidad de una compensación cuidadosa.
Las mediciones por pares reducen la carga creciente de calibración
Yi-Hsien Wu, primer autor y responsable de los experimentos durante su investigación doctoral, explicó cómo el equipo redujo la cantidad de calibración necesaria a medida que aumentaba el número de cúbits en funcionamiento simultáneo.
«En lugar de exigir un procedimiento de calibración completamente distinto para cada combinación posible de cúbits, nuestro método utiliza calibraciones entre pares de cúbits para compensar los desplazamientos de fase no deseados».
Los investigadores midieron cómo el funcionamiento de un cúbit modificaba la fase de otro. Luego sumaron esas contribuciones individuales para calcular la corrección necesaria cuando varios cúbits funcionaban juntos. El ajuste de las fases de microondas anuló los principales desplazamientos no deseados. El equipo también calibró las amplitudes de los pulsos para corregir las rotaciones excesivas o insuficientes.
Una prueba con Q2, Q3 y Q4 respaldó ese enfoque. La fase acumulada en Q3 cuando sus dos cúbits vecinos funcionaban juntos coincidió con la suma de los efectos medidos por separado para cada vecino. Durante el funcionamiento de los cinco cúbits, la calibración por pares tuvo un rendimiento igual al de una calibración completa que medía cada cúbit mientras se activaban los otros cuatro.
El artículo preliminar de julio de 2025 del equipo describe una carga de calibración que crece de forma cuadrática con el número de cúbits, en lugar de exponencial. A grandes rasgos, duplicar el número de cúbits multiplicaría por unas cuatro veces la carga de trabajo por pares. Medir todas las combinaciones posibles de funcionamiento exigiría un crecimiento mucho más rápido, lo que dificultaría cada vez más la calibración de conjuntos de mayor tamaño.
Los pulsos más suaves ayudaron a conservar la precisión
La calibración se combinó con pulsos de microondas cuidadosamente modulados. Los investigadores utilizaron pulsos con ventana de Kaiser, cuya envolvente es más suave que la de los pulsos rectangulares convencionales. Su forma reduce los componentes de frecuencia no deseados que pueden alterar los cúbits vecinos.
El artículo preliminar informa de fidelidades de puerta primitiva individuales de unos 99,98% con pulsos rectangulares. El uso de pulsos con ventana de Kaiser elevó la fidelidad de los cinco cúbits por encima del 99,99%, y algunas se acercaron al 99,999%. Esta comparación muestra que la forma de una señal de control puede ser tan importante como su frecuencia y potencia.
El equipo evaluó el rendimiento mediante pruebas de referencia aleatorizadas. Este método aplica secuencias de operaciones seleccionadas al azar y mide con qué rapidez disminuye la probabilidad de obtener el resultado previsto a medida que se alargan las secuencias. Esa disminución permite estimar la fidelidad promedio de las puertas.
La velocidad de las puertas también exigió encontrar un equilibrio. Las puertas lentas exponen los cúbits al desfasaje durante más tiempo, mientras que las muy rápidas necesitan señales de microondas más intensas, que pueden introducir más ruido. El estudio utilizó una duración mínima de 83 nanosegundos para el control individual y fijó en 250 nanosegundos la duración de las puertas simultáneas del experimento con tres cúbits, con el fin de reducir la amplitud máxima de las señales.
Qué sigue limitando el funcionamiento de los cinco cúbits
La activación simultánea de los cinco cúbits requirió más potencia de microondas y la fidelidad bajó hasta alrededor del 99,9%. Los investigadores atribuyeron la pérdida restante principalmente a la decoherencia inducida por las señales de control, es decir, al debilitamiento de la coherencia cuántica necesaria para los cálculos.
La corrección de fase resuelve un desplazamiento predecible que puede medirse y compensarse. La decoherencia requiere cambios que protejan mejor el estado cuántico durante el funcionamiento. Por ello, el diseño del dispositivo, incluido el micromagneto, es uno de los aspectos en los que se centrarán las próximas mejoras.
Camenzind describió esa limitación restante y la respuesta que propone el equipo.
«Esta es una limitación, pero nuevas mejoras en el diseño del dispositivo podrían ayudar a mitigar esta fuente de error».
El artículo explica que la fidelidad necesaria para tolerar fallos depende del protocolo de corrección de errores y de los tipos de ruido presentes. Los valores superiores al 99,9% son un objetivo común para el funcionamiento práctico. Un sistema funcional también debe combinar puertas precisas con mediciones fiables y una corrección de errores reiterada en un conjunto mucho mayor. El equipo no ha fijado un plazo para alcanzar esa etapa.
Del primer manuscrito a un objetivo de investigación más amplio
El trabajo se desarrolló a través de un artículo preliminar y una publicación en una revista científica antes de que el RIKEN anunciara el resultado. Estas son las fechas principales:
- 16 de julio de 2025: los investigadores publicaron el primer artículo preliminar, arXiv:2507.11918v1.
- 15 de octubre de 2026: Nature Physics publicó el estudio, con el DOI 10.1038/s41567-026-03466-2.
- 16 de octubre de 2026: el RIKEN fechó su comunicado de prensa en inglés sobre los resultados.
En la colaboración participan investigadores del RIKEN, la Universidad Nacional de Taiwán, la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH) y QuTech, en los Países Bajos. La Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón apoyó el trabajo a través del proyecto JPMJMS256H del Objetivo Moonshot 6, centrado en tecnologías para una computadora cuántica de silicio tolerante a fallos.
La compatibilidad del silicio con los procesos de fabricación de semiconductores ya establecidos ofrece una vía hacia una integración de alta densidad. El experimento añade una estrategia de control a esa ventaja de fabricación: varios cúbits pueden compartir una línea de microondas y las interacciones de fase no deseadas entre ellos pueden corregirse mediante mediciones por pares.
Seigo Tarucha, director del proyecto de computación cuántica de silicio del Objetivo Moonshot 6 de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón, expuso el objetivo a largo plazo.
«Nuestro objetivo a largo plazo es construir una computadora cuántica tolerante a fallos basada en cúbits de espín de silicio, y un control en paralelo fiable es un paso esencial para alcanzarlo».
Puntos clave
- El RIKEN y sus colaboradores controlaron cinco cúbits de espín de silicio a través de una única línea de microondas compartida.
- Las fidelidades individuales de las puertas superaron el 99,99%; algunas se acercaron al 99,999%.
- Hasta tres cúbits mantuvieron una fidelidad superior al 99,99% durante el funcionamiento simultáneo; los cinco operaron con una fidelidad de alrededor del 99,9% o más.
- La calibración por pares compensó los desplazamientos de fase no deseados causados por el efecto Stark de corriente alterna.
- La mayor potencia de microondas provocó decoherencia al operar los cinco cúbits, por lo que las mejoras del dispositivo son ahora el principal objetivo técnico.
- El estudio se publicó en Nature Physics el 15 de octubre de 2026.
