Investigadores de la Universidad de Chicago, Harvard, Stony Brook y Quantinuum ejecutaron en el procesador de iones atrapados H2 un conjunto universal de operaciones cuánticas con 54 qubits entrelazados. El resultado, publicado en Nature, combina dos maniobras sobre anyones no abelianos: trenzarlos y fusionarlos.
El equipo mostró que esa combinación puede, en principio, realizar cualquier operación necesaria para un cálculo cuántico general. Es un avance experimental, no un ordenador de propósito general listo para usar: el experimento todavía no incorporó corrección activa de errores. Aun así, apunta a una posible forma de reducir el coste de proteger la información sin destinar tantos qubits a preparar estados especiales.
La pieza que faltaba para salir del laboratorio
Un ordenador cuántico útil necesita ejecutar una variedad amplia de operaciones. En el lenguaje técnico, el conjunto de operaciones debe ser universal: capaz de construir cualquier cálculo cuántico, no solo una selección limitada.
Un sistema puede crear estados cuánticos exóticos y manipularlos de formas interesantes sin permitir por ello la computación universal. En 2024, parte del mismo equipo logró crear anyones relacionados con el grupo de simetría D4 en un ordenador de Quantinuum. D4 describe las rotaciones y reflexiones que dejan un cuadrado sin cambios. Fue una demostración de orden no abeliano en hardware cuántico, aunque el trenzado de esos anyones no bastaba para ejecutar todas las operaciones necesarias.
En el nuevo experimento, los investigadores usaron anyones asociados a S3, el grupo de simetría de un triángulo equilátero, que incluye sus rotaciones y reflejos. La clave fue añadir una operación que no estaba en la demostración anterior: la fusión.
Ruben Verresen, profesor asistente de ingeniería molecular en UChicago PME y coautor del estudio, describió el avance como una demostración de un conjunto universal de puertas. El equipo pasó de crear y mover estas entidades a combinarlas para implementar cualquier operación cuántica, al menos en principio.
¿Qué demonios es un anyon no abeliano?
Los anyones no son partículas corrientes que se encuentren de forma aislada. En este experimento emergen dentro de un circuito cuántico: los investigadores entrelazan numerosos qubits convencionales hasta producir un estado colectivo que se comporta como si contuviera partículas con reglas propias. Verresen compara estos códigos con pequeños universos alternativos; el comportamiento relevante pertenece al conjunto, no a un qubit aislado.
Un qubit representa información mediante dos estados básicos y sus combinaciones cuánticas. Los anyones no abelianos permiten codificarla de otra manera. Cuando uno se mueve alrededor de otro, su estado interno puede cambiar; esa maniobra se llama trenzado. El orden importa: intercambiar la secuencia de movimientos puede dar un resultado distinto, que es lo que significa “no abeliano” en este contexto.
El trenzado funciona como una operación computacional. Como la información está distribuida entre muchos qubits entrelazados, también puede quedar protegida frente a ciertas perturbaciones pequeñas que afectan a los qubits físicos. Esa protección natural frente a algunos errores no equivale a inmunidad ni sustituye automáticamente la corrección de errores.
Los investigadores codificaron la información en qutrits topológicos, sistemas con tres niveles posibles en lugar de los dos de un qubit convencional. Después combinaron trenzados y fusiones. Al reunir dos anyones y medir el estado resultante, la fusión aporta operaciones que el movimiento por sí solo no ofrece.
Trenzar ayuda; fusionar abre la puerta
La teoría de usar la fusión para conseguir operaciones universales fue propuesta por Carlos Mochon en 2003, cuando era estudiante de John Preskill en Caltech. Llevarla a un experimento requirió desarrollar el esquema teórico, traducirlo a operaciones compatibles con el hardware y comprobar que el procesador podía crear y medir los estados necesarios.
El equipo demostró tres herramientas centrales: una puerta entrelazante obtenida mediante trenzado y dos mediciones distintas realizadas mediante fusión. Juntas permiten construir cualquier operación cuántica, incluidas las que el trenzado aislado no podía producir.
Crear anyones no bastaba, ni tampoco manipularlos: había que demostrar que el repertorio de operaciones permitía procesar información cuántica de forma general. En la demostración de 2024, el sistema no tenía suficiente potencia computacional; ahora, la fusión amplía ese repertorio.
El equipo no ejecutó una tarea práctica que superara a un ordenador clásico ni convirtió el procesador H2 en una máquina universal tolerante a fallos. Probó los bloques necesarios para esa posibilidad y su funcionamiento de acuerdo con las predicciones teóricas.
El coste oculto de corregir errores
Los qubits son frágiles. El ruido del entorno, los fallos de las puertas y las imperfecciones de las mediciones pueden corromper la información antes de que termine un cálculo. La corrección de errores suele repartir un qubit lógico —la unidad de información protegida— entre muchos qubits físicos. Así se detectan y corrigen ciertos errores sin medir directamente el estado cuántico que se quiere conservar.
Pero proteger la información no basta para ejecutar todas las operaciones necesarias. En muchos códigos convencionales, algunas puertas universales requieren preparar recursos especiales llamados magic states. Para obtener estados suficientemente fiables, suele hacer falta destilarlos, un proceso que consume muchos qubits físicos y operaciones adicionales.
Los códigos no abelianos podrían ofrecer otra ruta. Henrik Dreyer, responsable científico de la oficina de Quantinuum en Múnich y coautor del trabajo, los describió como un “caballo oscuro” de la corrección cuántica. La demostración sugiere que, en principio, un cálculo tolerante a fallos podría realizarse sin recurrir a la destilación o al cultivo de estados mágicos que resultan costosos en los esquemas estándar.
El equipo también mostró que las operaciones topológicas pueden producir directamente un estado mágico, sin pasar por la destilación habitual. Es un indicio de que la arquitectura podría reducir una carga conocida, pero no demuestra cuánto hardware ahorraría una máquina real. Para establecerlo habrá que integrar corrección activa de errores, medir las tasas de fallo y comparar los recursos con los de alternativas concretas.
La parte difícil empieza ahora
Los autores no aplicaron corrección activa de errores en este experimento. Se concentraron en probar los bloques individuales y confirmar que podían producir un estado mágico coherente con las expectativas teóricas. Verresen lo presentó como una prueba de principio y señaló el siguiente reto: combinar estas operaciones con corrección activa para determinar si la protección asociada a los anyones se mantiene más allá de una demostración controlada.
También habrá que estudiar la estabilidad de la memoria cuántica, la precisión de las fusiones y la acumulación de fallos durante secuencias largas. Una operación puede degradarse al repetirse muchas veces, y las mediciones pueden introducir errores. Los qubits físicos siguen sosteniendo el estado colectivo con sus limitaciones habituales; la topología no las elimina.
El procesador H2 permitió crear el sistema S3 con 54 qubits entrelazados. Una computadora cuántica práctica requerirá mantener, manipular y corregir estados mucho más grandes, con tasas de error suficientemente bajas y operaciones fiables. Si la arquitectura reduce la necesidad de destilar estados mágicos, podría liberar recursos para el cálculo, pero ese ahorro aún no se ha medido en una máquina tolerante a fallos.
Los investigadores de UChicago PME ya trabajan en técnicas para estabilizar memorias cuánticas no abelianas. El siguiente paso será comprobar si los anyones conservan información y permiten ejecutar operaciones cuando el sistema deja atrás las demostraciones breves y controladas.
