Científicos superan un obstáculo oculto en las computadoras cuánticas de silicio

Un equipo de investigadores del Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente y sus colaboradores logró un avance importante para resolver un problema que frenaba el desarrollo de computadoras cuánticas más potentes. En un estudio publicado en Nature Physics, demostraron un control muy preciso de varios qubits de espín de silicio que funcionaban al mismo tiempo, usando un arreglo de cinco qubits conectados a una línea compartida de microondas.

La dificultad era que, cuando se controlan varios qubits de silicio a la vez, sus operaciones tienden a perder precisión. Los científicos identificaron una causa importante de esos errores: el llamado desplazamiento Stark de corriente alterna (AC Stark shift). Este fenómeno ocurre cuando las señales de microondas alteran los niveles de energía efectivos de un qubit y producen cambios en la fase de su estado cuántico, lo que perturba la operación buscada. Para compensarlo, el equipo creó un método de calibración que no exige una calibración separada para cada combinación posible de qubits, sino que se basa en calibraciones entre pares, algo más práctico para sistemas grandes. «Nuestro método utiliza calibraciones entre pares de qubits para compensar los cambios de fase no deseados», explicó Yi-Hsien Wu, primer autor que realizó los experimentos durante su doctorado.

Los resultados fueron notables. Cuando los cinco qubits se probaron por separado, cada uno alcanzó una fidelidad de compuerta de un solo qubit muy superior al 99,99%, y la más alta se acercó al 99,999%. Con hasta tres qubits activos a la vez, la fidelidad se mantuvo por encima del 99,99%, y aun controlando los cinco al mismo tiempo, la precisión se situó en torno al 99,9%, cerca de los niveles que se necesitan para la computación cuántica tolerante a fallos. Sin embargo, el método no eliminó todos los errores: la pérdida restante de precisión se vinculó a la decoherencia inducida por el accionamiento, causada por la mayor potencia de microondas requerida. «Es una limitación, pero mejoras en el diseño del dispositivo podrían ayudar a mitigar esta fuente de error», dijo Leon Camenzind, científico de RIKEN y coautor principal.

El hallazgo importa porque demuestra que controlar varios qubits de silicio a la vez no obliga a sacrificar mucha precisión y respalda el uso de líneas de control compartidas para ampliar los procesadores cuánticos. «Nuestro estudio apoya el uso de líneas de control compartidas como un enfoque práctico para escalar procesadores cuánticos», señaló Camenzind. La meta de largo plazo, según Seigo Tarucha, gerente de un proyecto de computación cuántica de silicio dentro del Moonshot Goal 6 de JST, es construir una computadora cuántica tolerante a fallos basada en qubits de espín de silicio, y el control paralelo confiable es un paso esencial hacia ese objetivo.