Investigadores de la Universidad de Chicago, Harvard, Stony Brook y Quantinuum ejecutaron un conjunto universal de operaciones cuánticas en un procesador H2 de 54 qubits. La pieza central son los anyones no abelianos, objetos cuánticos emergentes que pueden codificar información mientras se desplazan unos alrededor de otros. El trabajo, publicado en Nature, plantea una posible ruta para realizar cálculos cuánticos generales sin depender de algunas de las operaciones más costosas de la corrección de errores convencional.
El equipo demostró los bloques de construcción, no un ordenador cuántico tolerante a fallos listo para uso práctico. El experimento no incluyó corrección activa de errores. Aun así, completa una limitación concreta que había dejado abierta la investigación previa: las trenzas de anyones, por sí solas, no bastaban para alcanzar la universalidad.
Un avance prometedor, no un ordenador terminado
Ruben Verresen, profesor adjunto de ingeniería molecular en UChicago PME y coautor del estudio, describió el resultado como una demostración de un «conjunto universal de puertas». Esto significa que el repertorio de operaciones mostrado puede, en principio, construir cualquier cálculo cuántico. No implica que el equipo haya probado todas las combinaciones posibles una por una.
La universalidad es un requisito para una máquina cuántica de propósito general, pero no basta para obtener una computadora útil, estable y escalable. En los sistemas actuales, los qubits son sensibles a perturbaciones que pueden degradar el estado cuántico necesario para el cálculo. Para reducir esos errores, los investigadores distribuyen la información entre muchos qubits físicos y la protegen mediante códigos de corrección.
Proteger un estado, sin embargo, no garantiza disponer de todas las operaciones necesarias para procesarlo. Los sistemas convencionales suelen recurrir a recursos adicionales, como los estados mágicos, cuya preparación puede requerir procedimientos de purificación costosos. El estudio sugiere que ciertos códigos no abelianos podrían producir directamente uno de esos recursos mediante operaciones topológicas. Queda por demostrar que el método funciona cuando el hardware también debe corregir errores en tiempo real.
¿Qué demonios es un anyon no abeliano?
Un qubit convencional almacena información en dos estados básicos y en combinaciones cuánticas de ambos. Los anyones no abelianos son distintos: no son partículas que se encuentren sueltas en la naturaleza y puedan observarse bajo un microscopio. En este experimento, los investigadores los construyeron como estados colectivos dentro de un circuito cuántico, entrelazando muchos qubits para que el conjunto se comporte como si contuviera partículas con reglas propias.
Verresen compara estos códigos con «pequeños universos» que tienen propiedades parecidas a las del nuestro. La analogía alude a un sistema cuántico diseñado para reproducir ciertas estructuras matemáticas, no a la creación de un universo nuevo. La información se reparte entre varios componentes entrelazados, lo que puede hacerla menos vulnerable a algunas perturbaciones locales.
La operación característica se llama trenzado: se mueve un anyon alrededor de otro y cambia el estado interno del sistema. En la teoría no abeliana, el orden de las operaciones puede alterar el estado final. Así, la información se transforma mediante el recorrido de los anyones, no solo por la aplicación de una instrucción aislada a un qubit.
Este enfoque ofrece otra forma de computar y, en teoría, de proteger la información. Pero «topológico» no significa «a prueba de fallos»: la codificación puede proteger frente a ciertas perturbaciones, pero no elimina las imperfecciones del dispositivo ni resuelve por sí sola los problemas de lectura, control o escalabilidad.
La trenza de 2024 se quedaba corta
En 2024, el equipo mostró que podía crear anyones no abelianos en un ordenador de iones atrapados de Quantinuum. La demostración utilizó una simetría llamada D4, asociada a las rotaciones y reflexiones que dejan inalterado un cuadrado. Fue la primera producción de ese tipo de orden no abeliano en hardware cuántico, pero crear y mover los anyones no bastaba para realizar cualquier cálculo.
El trenzado permitía manipular la información, pero no proporcionaba por sí solo todas las puertas necesarias para la universalidad. Verresen resumió la diferencia diciendo que el «universo» creado entonces no tenía suficiente potencia computacional.
Para el nuevo experimento, los investigadores pasaron de D4 a S3, la simetría de un triángulo equilátero, que incluye las rotaciones y reflexiones que lo dejan con la misma forma. La elección ofrecía las propiedades necesarias para completar el conjunto universal, al combinar el trenzado con una segunda operación: la fusión.
La idea matemática de aprovechar la fusión con este fin se remonta a 2003, cuando Carlos Mochon, entonces estudiante de John Preskill en Caltech, la planteó teóricamente. Su implementación en hardware requirió años de trabajo teórico y experimental.
La fusión completa lo que el trenzado no podía
En una operación de fusión, dos anyones se juntan y se mide el estado resultante. Esa medición aporta una clase de control que las trenzas por sí solas no ofrecían. El equipo codificó la información en pares de anyones como qutrits topológicos: sistemas con tres niveles posibles de información, frente a los dos habituales del qubit. Se trata de una estructura de codificación distinta, basada en las propiedades del sistema no abeliano.
Al combinar trenzado y fusión, los investigadores probaron tres herramientas clave: una puerta entrelazante obtenida mediante trenzado y dos mediciones distintas realizadas mediante fusión. Juntas, forman un conjunto universal en principio y aportan las operaciones que faltaban en el experimento anterior.
El equipo no ejecutó un algoritmo útil de gran escala ni demostró que las puertas tengan tasas de error suficientemente bajas bajo corrección activa. Validó los bloques elementales y su relación con las predicciones teóricas. Es una prueba de concepto experimental, no una computadora lista para realizar tareas prácticas a gran escala.
¿Adiós a los estados mágicos caros?
Los códigos convencionales de corrección de errores pueden proteger la información cuántica distribuyéndola entre muchos qubits físicos, pero esa protección no siempre incluye todas las operaciones universales. Para cubrir esa carencia, los ingenieros suelen preparar estados especiales conocidos como estados mágicos. Producirlos de forma fiable acostumbra a requerir destilación, un proceso intensivo que combina recursos imperfectos para obtener estados de mayor calidad.
La destilación puede consumir una parte considerable de los qubits disponibles. Henrik Dreyer, responsable científico y director gerente de la oficina de Quantinuum en Múnich, planteó que los códigos no abelianos podrían permitir cálculos tolerantes a fallos sin recurrir a la destilación o al cultivo de estados mágicos, dos operaciones especialmente costosas en los códigos habituales.
En la demostración, los investigadores produjeron directamente un estado mágico mediante operaciones topológicas. El resultado evita la destilación en ese experimento y respalda la posibilidad de reducir ese coste. No demuestra que un ordenador completo pueda operar sin esos procedimientos bajo condiciones reales de corrección de errores: el experimento no incluyó corrección activa.
La prueba difícil empieza ahora
El procesador H2 de Quantinuum permitió crear el sistema S3 con 54 qubits entrelazados y ensayar las operaciones necesarias. Esa cifra corresponde a los qubits físicos empleados para generar y manipular el estado colectivo; no equivale a 54 qubits lógicos útiles ni indica por sí sola cuánta información puede almacenarse con protección robusta o cuánto durará antes de que los errores la degraden.
Los autores describieron el trabajo como una prueba de principio. Según Verresen, el siguiente paso es integrar estas operaciones con corrección activa de errores: mantener el estado, detectar fallos y corregirlos durante los cálculos sin destruir la información cuántica.
También queda por determinar qué ventajas se mantienen al aumentar el tamaño del sistema. Un método que funciona con decenas de qubits puede volverse más complejo al escalar, debido a las exigencias de control, medición y calibración, y a la aparición de nuevas fuentes de error. Evitar una etapa de destilación no basta por sí solo para establecer que el coste total será menor.
Los investigadores de Harvard Anasuya Lyons y Chiu Fan Bowen Lo destacaron que ideas discutidas durante su trabajo doctoral se han materializado en el laboratorio gracias a los avances recientes del hardware. El estudio lleva una construcción matemática a una operación medible, pero todavía falta comprobar cómo funciona el enfoque con corrección activa de errores y a mayor escala.
