Leon Camenzind y sus colaboradores del RIKEN Center for Emergent Matter Science han controlado cinco cúbits de espín de silicio a través de una línea compartida de microondas. El trabajo, publicado en Nature Physics, aborda un problema práctico para ampliar los ordenadores cuánticos: mantener la precisión cuando varios cúbits se activan a la vez.
El problema aparece cuando se encienden varios cúbits
Los cúbits de espín de silicio tienen una ventaja importante: se fabrican con materiales y procesos cercanos a los que ya emplea la industria para producir chips convencionales. Eso no significa que baste con trasladar una receta cuántica a una fábrica de semiconductores, pero sí ofrece una posible ruta para construir procesadores mayores sin depender de tecnologías ajenas a la producción electrónica existente.
Un cúbit de espín almacena información en el espín de un electrón confinado en silicio. A diferencia de un bit clásico, puede ocupar una combinación de los estados 0 y 1. Esa propiedad permite realizar cálculos que no son una simple versión más rápida de los de un ordenador convencional, pero también hace delicado el control: cada operación debe modificar el estado cuántico sin introducir desviaciones que luego se acumulen.
Para controlar los espines se aplican señales de microondas. Operar un cúbit cada vez es relativamente manejable; cuando varios reciben señales simultáneamente, estas pueden interferir con la evolución prevista de sus estados. La pérdida de precisión puede ser pequeña en cada operación, pero acumularse a lo largo de un cálculo.
Dar a cada cúbit su propia línea de control evitaría parte de esa dificultad, pero multiplicaría cables, conexiones y componentes a medida que creciera el dispositivo. Compartir líneas simplifica el diseño, aunque exige controlar qué ocurre cuando varios cúbits reciben señales a la vez. El equipo de RIKEN estudió el problema con una matriz de cinco cúbits conectada a una línea común: una escala pequeña, pero suficiente para medir la degradación del control paralelo y analizar sus causas.
La interferencia tenía nombre: desplazamiento Stark AC
El equipo identificó el desplazamiento Stark AC como una de las principales fuentes de error. Las señales de microondas modifican los niveles de energía efectivos del cúbit y, con ellos, la fase de su estado cuántico. Si esa fase se aparta de la que requiere la operación, el pulso puede ejecutar algo distinto de lo previsto.
La fase forma parte de la información que describe un estado cuántico y determina cómo interactúa con las operaciones siguientes. Una desviación pequeña puede propagarse por la secuencia de cálculo. En un sistema con varios cúbits activos, las combinaciones de señales complican la calibración: ajustar cada elemento por separado no garantiza que el conjunto se comporte igual.
El método del grupo no requiere calibrar desde cero cada combinación posible de cúbits. En su lugar, usa calibraciones entre pares para compensar los cambios de fase no deseados. Yi-Hsien Wu, primer autor del estudio, realizó los experimentos durante su doctorado y explicó que el enfoque permite abordar el problema sin crear un procedimiento independiente para cada combinación.
El número de combinaciones posibles crece rápidamente al añadir cúbits, por lo que medir cada configuración podría volverse impracticable. La calibración por pares no elimina toda la complejidad física, pero permite caracterizar y corregir una parte importante del error. Es una estrategia de ingeniería que mide las interacciones relevantes y las incorpora al ajuste del control.
El estudio se centra en una fuente concreta de imprecisión durante el control simultáneo. Reducirla no elimina las demás limitaciones del sistema.
Un 99,99 % suena enorme. Y aun así hay letra pequeña
En las pruebas individuales, cada uno de los cinco cúbits alcanzó una fidelidad de puerta de un solo cúbit superior al 99,99 %. El mejor resultado se acercó al 99,999 %. La fidelidad mide cuánto coincide una operación real con la prevista; no es una nota global del ordenador ni garantiza que cualquier cálculo vaya a completarse sin errores.
Al activar hasta tres cúbits simultáneamente, la fidelidad se mantuvo por encima del 99,99 %. Con los cinco en funcionamiento a la vez, cayó a alrededor del 99,9 %. La disminución existe, pero el resultado muestra que el uso de control compartido no provoca por sí mismo un derrumbe de la precisión.
Una fidelidad alta en una prueba corta no basta para construir un ordenador cuántico útil: este tendría que realizar muchas operaciones y conservar información durante toda la secuencia. Los errores pequeños se acumulan. La computación tolerante a fallos intenta gestionarlos mediante técnicas de corrección, que requieren recursos y operaciones físicas suficientemente fiables. El umbral necesario depende de la arquitectura y del tipo de error; no hay un porcentaje único que convierta un experimento en una máquina práctica.
El 99,9 % con cinco cúbits simultáneos es un avance experimental relevante, no un procesador tolerante a fallos. Aún hacen falta más cúbits, más operaciones, estabilidad prolongada y métodos de corrección que funcionen a escala. El experimento sí muestra que es posible mantener una precisión elevada al operar en paralelo.
El límite que queda: más potencia también trae más ruido
La calibración redujo los errores asociados a los cambios de fase, pero no los eliminó todos. Los investigadores vincularon la pérdida de precisión restante con la decoherencia inducida por el accionamiento. Controlar varios cúbits a la vez requiere más potencia de microondas, que puede acelerar la pérdida de coherencia cuántica y deteriorar las relaciones que permiten que el estado conserve sus propiedades cuánticas.
Este efecto es distinto del desplazamiento Stark AC. Una fase desplazada puede compensarse mediante una calibración adecuada si se conoce su origen; la decoherencia implica que parte de la información cuántica se deteriora durante el proceso. Corregir una no equivale a corregir la otra.
Camenzind señaló que el diseño del dispositivo podría ayudar a mitigar esta limitación. El estudio, sin embargo, no demuestra cuánto puede reducirse el efecto ni qué cambios permitirían hacerlo a mayor escala. Optimizar la geometría, las características de los cúbits o la entrega de las señales son posibles líneas de trabajo, no soluciones ya probadas.
El control paralelo exige señales suficientemente fuertes y precisas para ejecutar las puertas, sin añadir tanto ruido que se comprometa la estabilidad. Encontrar ese equilibrio con cinco cúbits es un paso útil; mantenerlo al aumentar su número y la complejidad de las operaciones será la prueba más exigente.
¿Compartir controles puede llevar a procesadores mayores?
Si cada cúbit necesitara un sistema de control totalmente independiente, el cableado y la electrónica auxiliar podrían convertirse en un obstáculo al crecer el procesador. Las líneas compartidas prometen simplificar parte de esa infraestructura, siempre que la precisión no pague un precio demasiado alto. El experimento de RIKEN muestra que una línea común puede controlar varios cúbits de espín de silicio con fidelidades elevadas mediante calibración por pares.
La compatibilidad del silicio con los métodos de fabricación de semiconductores añade atractivo, aunque la capacidad de producir silicio a gran escala no implica que se puedan fabricar automáticamente millones de cúbits uniformes, conectarlos y mantenerlos en condiciones de computación. Pasar de cinco unidades experimentales a una arquitectura grande plantea problemas de variabilidad, control, lectura, conexión y estabilidad.
Seigo Tarucha, responsable del proyecto de computación cuántica de silicio ligado al programa Moonshot Goal 6 de JST, describió el control paralelo fiable como un paso esencial hacia un ordenador cuántico tolerante a fallos basado en cúbits de espín. Para llegar a una máquina útil será necesario encadenar avances en varias de estas áreas.
La aportación del equipo es mostrar que operar varios cúbits simultáneamente no obliga a sacrificar de inmediato la precisión, y señalar tanto una herramienta para corregir el desplazamiento Stark como la pérdida residual asociada al aumento de potencia. Queda por comprobar si la calibración por pares seguirá siendo útil cuando la matriz tenga más cúbits y aumente el número de interacciones.
