Qubits de silicio mantienen 99,99 % de precisión con tres a la vez

En un chip de silicio, cinco espines de electrones son dirigidos por una única línea de microondas, y cada uno debe llevarse al estado correcto sin perturbar a sus vecinos. Ese es el problema que el Centro de Materia Emergente del RIKEN se propuso resolver, y en un estudio publicado en Nature Physics, su equipo informa de que tres qubits pueden funcionar a la vez manteniendo una fidelidad de puerta por encima del 99,99 %. El experimento utilizó una matriz de cinco qubits de silicio controlada mediante una única línea de microondas compartida.

Un qubit es el equivalente cuántico de un bit: puede contener una combinación de 0 y 1. En los qubits de espín de silicio, esa información se almacena en el espín de un electrón atrapado en silicio, y se modifica mediante pulsos de microondas. El silicio tiene una ventaja práctica, ya que el enfoque es compatible con la fabricación de semiconductores que ya se emplea en los chips informáticos. Su debilidad conocida es que, cuando varios qubits se manejan al mismo tiempo, su precisión suele caer, y un ordenador cuántico que no puede operar muchos qubits juntos sigue siendo una máquina pequeña.

El equipo comenzó por identificar la causa principal de esa caída: el desplazamiento Stark de CA, un efecto inducido por las señales de control de microondas. Este cambia los niveles de energía efectivos de un qubit y desplaza la fase de su estado cuántico. Su protocolo de mitigación se basa en calibraciones entre pares de qubits para compensar esos desplazamientos de fase. Yi-Hsien Wu, primer autor, explicó que el método evita una calibración separada para cada combinación posible de qubits. Los qubits individuales, operados de uno en uno, alcanzaron fidelidades muy por encima del 99,99 % en cada uno de los cinco qubits, con la mejor acercándose al 99,999 %. La fidelidad mide la precisión con la que se ejecuta una operación cuántica.

Con el protocolo, las fidelidades se mantuvieron por encima del 99,99 % cuando hasta tres qubits operaban simultáneamente. Con los cinco funcionando juntos, se mantuvieron en aproximadamente el 99,9 %, un nivel que los autores describen como cercano a los requisitos prácticos de la computación cuántica tolerante a fallos. La pérdida residual procede de la decoherencia inducida por el accionamiento, una pérdida de coherencia cuántica causada por la mayor potencia de microondas que exige el funcionamiento simultáneo. A diferencia de los desplazamientos de fase que aborda el nuevo protocolo, este efecto no se corrige mediante calibración, y Camenzind afirmó que nuevas mejoras en el diseño del dispositivo podrían ayudar.

Por ahora, el resultado se queda en el laboratorio. Demuestra que las líneas de control compartidas pueden usarse sin sacrificar precisión, algo que importa a quien quiera conectar decenas o cientos de qubits sin una línea dedicada para cada uno. El objetivo a largo plazo declarado por el equipo es un ordenador cuántico tolerante a fallos construido con qubits de espín de silicio, y Seigo Tarucha, que dirige un proyecto de computación cuántica con silicio dentro del Moonshot Goal 6 de la JST, califica el control paralelo fiable de «un paso esencial» hacia ese objetivo. Ni el RIKEN ni el equipo dan una fecha para un procesador más grande, y el estudio no describe ninguno.