Caltech amplía los qubits de átomos neutros a 6.100 con pinzas ópticas

Han pasado aproximadamente cuatro décadas desde que se desarrollaron las pinzas ópticas, y continúan revolucionando la física, la biología y la medicina hasta el día de hoy.

Las pinzas ópticas son una herramienta notable que puede recoger y mover objetos microscópicos, como células, átomos, moléculas y gotas, sin tocarlos.

Estas herramientas utilizan láseres enfocados para manipular objetos. Al usar un haz de luz altamente enfocado, son capaces de mantener partículas microscópicas y submicroscópicas estables en tres dimensiones.

El haz es enfocado por un microscopio de alta calidad en un punto, creando una ‘trampa óptica’ que sostiene una partícula. Esta partícula experimenta fuerzas compuestas por luz de dispersión y fuerzas de gradiente debido a su interacción con la luz.

Desarrolladas por el físico estadounidense Arthur Ashkin en 1986, quien recibió el Premio Nobel de Física por ello en 2018, las pinzas ópticas permiten a los científicos estudiar bacterias individuales, una célula espermática, hebras de ADN, la interacción de partículas individuales con la luz y mucho más.

Hoy, estos instrumentos científicos forman la base de muchos experimentos líderes en simulación y computación cuántica.

Por ejemplo, científicos del Departamento de Física Experimental y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) han atrapado recientemente átomos de erbio individuales en arreglos de pinzas ópticas por primera vez, ampliando el uso de estas herramientas más allá de sistemas simples a experimentos cuánticos más complejos.

Este tipo de experimentos, que atrapan decenas a cientos de qubits atómicos, han logrado recientemente arreglos de aproximadamente mil átomos.

Escalar esto a miles de qubits atómicos con bajas pérdidas, tiempos de coherencia largos y alta fidelidad de imagen, lo cual es crítico para avanzar en la corrección de errores cuánticos, sin embargo, ha sido un gran desafío.

Desliza para desplazarte →

Sin embargo, esto ha sido demostrado experimentalmente por investigadores de Caltech. Han atrapado con éxito 6.100 átomos neutros en aproximadamente 12.000 sitios usando un arreglo de pinzas ópticas. Al mismo tiempo, superaron el \”rendimiento de vanguardia para varios métricos que sustentan el éxito de la plataforma,\” señaló el equipo.

Los investigadores demostraron un tiempo de coherencia de 12,6(1) segundos, que es un récord para qubits hipercúmicos en un arreglo de pinzas ópticas. Durando aproximadamente 23 minutos, lograron una supervivencia de imagen récord de 99,98952(1)% con una fidelidad de imagen superior al 99,99%.

Según el equipo, estos resultados sugieren que la computación cuántica universal podría convertirse pronto en una realidad.

Por qué la corrección de errores domina la hoja de ruta de la computación cuántica

La computación cuántica ha captado el interés de investigadores y empresas en todo el mundo.

Según analistas de BofA, se espera que el mercado de la computación cuántica alcance una valoración de aproximadamente 4 000 millones de dólares a principios de la próxima década.

Los analistas dijeron en una nota a los clientes que \”la promesa de la computación cuántica es real\”, añadiendo que aún existen varios obstáculos para el crecimiento de la tecnología, y una vez superados, \”esperamos una inflexión mucho más significativa en los ingresos\”.

Los defensores de la computación cuántica destacan su potencial para transformar las finanzas, la salud, la logística, la ciberseguridad, la ciencia de materiales y la inteligencia artificial.

Esta semana, HSBC Holdings anunció que ha logrado un avance mundial pionero en el uso de la computación cuántica en los mercados financieros. El banco con sede en Londres utilizó el procesador cuántico Heron de IBM en la negociación de bonos, lo que produjo una mejora del 34 % en la predicción de la probabilidad de que un bono se negocie a un precio determinado.

El procesamiento cuántico se aplicó a un conjunto anonimizado de datos de negociación de bonos europeos, donde mostró la capacidad de mejorar significativamente la eficiencia del mercado.

Sin embargo, las aplicaciones prácticas de la tecnología cuántica en otros sectores aún no están firmemente establecidas, y los críticos argumentan que la revolución de la computación cuántica está lejos y también es limitada.

Por ejemplo, a finales del año pasado, Google lanzó un nuevo chip llamado Willow que, según afirmaron, marca un gran avance en el campo de la computación cuántica, pero señalaron que el benchmark utilizado para medir su rendimiento \”no tiene aplicaciones reales conocidas\”.

Aún así, McKinsey estima que el valor del mercado de la tecnología cuántica puede alcanzar hasta 100 000 millones de dólares en una década.

Estas cifras se basan en la anticipación de que ciertos problemas no pueden ser resueltos por computadoras clásicas, pero pueden ser manejados fácilmente por computadoras cuánticas, ayudándonos a comprender y manipular otros sistemas cuánticos.

Sin embargo, actualmente, la computación cuántica enfrenta desafíos significativos en cuanto a la decoherencia, lo que vuelve a los qubits frágiles y propensos a errores. Esto, a su vez, hace que la costosa tolerancia a fallos sea crítica para una computación cuántica fiable.

Qubits o bits cuánticos son equivalentes a los bits en computadoras clásicas. Pero mientras los bits clásicos son siempre uno o cero, los bits cuánticos pueden ser ambos al mismo tiempo hasta que su estado se mide, y los estados de múltiples qubits también pueden estar entrelazados.

Estos dos fenómenos, la superposición (la capacidad de un qubit de existir en múltiples estados simultáneamente) y el entrelazamiento (la capacidad de los qubits de estar vinculados y compartir el mismo estado sin importar la distancia), otorgan a las computadoras cuánticas capacidades que las computadoras clásicas no poseen.

Sin embargo, ambos son estados realmente frágiles que pueden ser destruidos fácilmente por la más mínima interacción con el entorno.

Desde la interferencia electromagnética hasta cambios de temperatura, los factores ambientales pueden colapsar esas propiedades, conduciendo a resultados inexactos. Por lo tanto, esta fragilidad es uno de los mayores obstáculos para una computación cuántica escalable y potente, y, en consecuencia, gran parte de la investigación en el campo se centra en la corrección de errores cuánticos (QEC).

Una de las formas en que los investigadores compensan la fragilidad de los qubits y corrigen errores es construyendo computadoras cuánticas con qubits adicionales y redundantes. Esto significa que una computadora cuántica robusta tendrá cientos de miles de qubits.

El arreglo de átomos neutros récord de Caltech equilibra cantidad y calidad

Trabajando hacia la construcción de una computadora cuántica con muchos qubits para corregir cualquier error, un equipo de investigadores de Caltech ha establecido un récord al crear el mayor arreglo de qubits que se ha ensamblado.

Un total de 6.100 qubits de átomos neutros han sido confinados en una cuadrícula usando láseres. Anteriormente, este tipo de arreglo solo contenía cientos de qubits.

Publicado en Nature, el estudio titulado “A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits” detalla el hito, que utilizó átomos neutros.

Los átomos neutros son átomos sin carga eléctrica neta. Por lo tanto, el número de protones es el mismo que el de electrones.

Al explotar sus niveles de energía internos, los investigadores pueden usar átomos neutros como qubits. Los niveles de energía pueden ser controlados y manipulados usando láseres y campos magnéticos para realizar operaciones específicas.

Al ser neutros, los átomos no interactúan fuertemente entre sí, lo que permite atrapar grandes arreglos de átomos y posibilita la construcción de procesadores cuánticos a gran escala. Además, los átomos neutros presentan tiempos de coherencia largos, otro factor que los hace beneficiosos para la computación cuántica.

Pero, por supuesto, existen desafíos en cuanto a la necesidad de un control preciso sobre el atrapado, el enfriamiento y la manipulación.

“Este es un momento emocionante para la computación cuántica de átomos neutros. Ahora podemos ver una vía hacia grandes computadoras cuánticas corregidas por errores. Los bloques de construcción están en su lugar.”

– Investigador principal de la investigación, Manuel Endres & profesor de física en Caltech

Dirigido por los estudiantes de posgrado de Caltech Hannah Manetsch, Gyohei Nomura y Elie Bataille, el estudio utilizó pinzas ópticas para atrapar miles de átomos individuales de cesio (Cs) en una cuadrícula.

Para construir el arreglo de átomos, dividieron un haz láser en 12.000 pinzas, que contenían un total de 6.100 átomos en una cámara de vacío. “En la pantalla, podemos ver realmente cada qubit como un punto de luz,” dijo Manetsch. “Es una imagen impactante del hardware cuántico a gran escala.”

Aunque el equipo logró un nuevo récord en escala, esta cantidad no se obtuvo a costa de la calidad, ya que también alcanzaron tiempos de coherencia largos.

El equipo pudo mantener estos qubits en superposición durante aproximadamente 13 segundos, lo que es alrededor de diez veces más que lo que arreglos similares habían logrado previamente. Además, pudieron manipular qubits individuales con una precisión de hasta el 99,98 %.

Según Nomura:

“Escala grande, con más átomos, a menudo se piensa que viene a expensas de la precisión, pero nuestros resultados demuestran que podemos hacer ambas cosas. Los qubits no son útiles sin calidad. Ahora tenemos cantidad y calidad.”

Además, el equipo demostró que pueden mover los átomos cientos de micrómetros (μm) a través del arreglo mientras mantienen la superposición. Piénsalo como equilibrar un vaso de agua mientras corres.

“Intentar sostener un átomo mientras se mueve es como intentar que el vaso de agua no se vuelque. Intentar también mantener el átomo en un estado de superposición es como tener cuidado de no correr tan rápido que el agua se derrame.”

– Manetsch

Esta capacidad es una característica clave de las computadoras cuánticas de átomos neutros, ya que permite una corrección de errores más eficiente en comparación con los qubits superconductores.

La investigación muestra que los átomos neutros son un candidato sólido para ayudarnos a implementar la corrección de errores cuánticos a escala de miles de qubits físicos, lo cual es el próximo gran logro para el campo.

“Las computadoras cuánticas tendrán que codificar la información de una manera tolerante a los errores, para que realmente podamos realizar cálculos valiosos. A diferencia de las computadoras clásicas, los qubits no pueden simplemente copiarse debido al llamado teorema de no clonación, por lo que la corrección de errores debe basarse en estrategias más sutiles.”

– Bataille

Con el estado de superposición logrado, que desempeña un papel crucial en el procesamiento y almacenamiento de información, el equipo ahora trabajará en el entrelazamiento, para el cual conectarán los qubits en su arreglo, permitiendo que las partículas se comporten como una sola.

Al lograr el estado de entrelazamiento, las computadoras cuánticas podrán realizar cálculos cuánticos completos y simular. Al aprovechar el entrelazamiento, los investigadores también podrán hacer descubrimientos científicos novedosos.

“Es emocionante que estemos creando máquinas que nos ayuden a aprender sobre el universo de maneras que solo la mecánica cuántica puede enseñarnos.”

– Manetsch

Nuevas arquitecturas de supresión de errores y resultados de hiperentrelazamiento

Endres y su equipo han estado trabajando en la computación cuántica durante mucho tiempo. Él se especializa en controlar átomos individuales usando pinzas ópticas con el fin de estudiar propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos.

Además del sistema cuántico récord que controla más de 6.000 átomos individuales, los experimentos de su equipo han llevado a nuevas técnicas para eliminar errores en máquinas cuánticas y a un nuevo dispositivo que puede proporcionar los relojes más precisos del mundo.

En mayo de este año, publicaron un estudio que aborda el problema del movimiento tembloroso de los átomos, lo que dificulta el control del sistema. Lo que han hecho es utilizar ese mismo problema para codificar información cuántica.

“Demostramos que el movimiento atómico, que típicamente se trata como una fuente de ruido no deseado en los sistemas cuánticos, puede convertirse en una fortaleza.”

El coautor principal del estudio, Adam Shaw

Su experimento codificó información cuántica en el movimiento de los átomos y condujo a un estado de hiperentrelazamiento.

Esto significa que los estados electrónicos individuales y los estados de movimiento de los pares de átomos hiperentrelazados estaban correlacionados. Su demostración, la primera de hiperentrelazamiento en partículas masivas como átomos neutros o iones, implica además que aún más rasgos podrían entrelazarse simultáneamente.

“Esto nos permite codificar más información cuántica por átomo,” dijo Endres. “Obtienes más entrelazamiento con menos recursos.”

Para sus experimentos, enfriaron un arreglo de átomos neutros de tierras alcalinas individuales atrapados dentro de pinzas ópticas, demostrando una nueva forma de enfriamiento mediante “detección y posterior corrección activa de excitaciones térmicas de movimiento”.

El equipo está esencialmente midiendo el movimiento de cada átomo y luego, dependiendo del resultado, aplicando una operación átomo por átomo.

La técnica hizo que los átomos quedaran casi totalmente inmóviles. Luego se indujo a los átomos a oscilar con una amplitud de 100 nanómetros, lo que los excitó en dos oscilaciones distintas al mismo tiempo, haciendo que el movimiento estuviera en el estado de superposición.

Los átomos individuales fueron entonces entrelazados con átomos compañeros, que fueron además hiperentrelazados para correlacionar el movimiento y los estados electrónicos de los átomos.

“Básicamente, el objetivo aquí era empujar los límites de cuánto podíamos controlar estos átomos. Esencialmente estamos construyendo una caja de herramientas: sabíamos cómo controlar los electrones dentro de un átomo, y ahora hemos aprendido a controlar el movimiento externo del átomo en su totalidad. Es como un juguete atómico que has dominado por completo.”

– Endres

En otro estudio de Caltech, un equipo de científicos del Caltech Center for Quantum Computing en el campus de la universidad demostró una nueva arquitectura de chip cuántico diseñada para suprimir errores.

“Para que las computadoras cuánticas tengan éxito, necesitamos que las tasas de error sean aproximadamente mil millones de veces mejores que hoy,” dijo Oskar Painter, jefe de hardware cuántico en AWS y profesor de física en Caltech. Aunque las tasas de error están disminuyendo, eso ocurre a un ritmo lento, “aproximadamente un factor de dos cada dos años,” por lo que, para acelerar este proceso, están desarrollando una nueva arquitectura de chip, aunque es “un bloque de construcción temprano.”

Los investigadores están usando qubits gato, que tienen errores de inversión de bits significativamente reducidos, quedando los errores de inversión de fase como los únicos por corregir. Esto significa que los investigadores pueden usar un código de repetición. En su nuevo chip llamado Ocelot, un código de repetición clásico implica que no se necesitan tantos qubits para corregir errores.

“Hemos demostrado una arquitectura más escalable que puede reducir el número de qubits adicionales necesarios para la corrección de errores en hasta un 90 %.”

– Fernando Brandão, profesor de Física Teórica en Caltech y director de ciencia aplicada en AWS

Para lograr esto, el chip Ocelot combina cinco qubits gato, circuitos de búfer especiales para estabilizar su oscilación y cuatro qubits de apoyo para detectar errores de fase. El código de repetición ha demostrado ser eficaz para capturar los errores de inversión de fase, mejorando a medida que el código aumenta de tres a cinco qubits gato.

Invertir en tecnología cuántica

Ahora, una de las apuestas más puras de la computación cuántica en el mercado es IonQ (IONQ ), que adopta el enfoque de iones atrapados para hacer realidad la tecnología. Lo que realmente lo destaca es las puertas de alta fidelidad, la integración con las principales plataformas en la nube, adquisiciones agresivas y un fuerte crecimiento de patentes, aunque los costos de escalado presentan un gran desafío.

IonQ (IONQ )

Fundada hace una década basándose en años de investigación en la Universidad de Maryland y la Universidad de Duke, IonQ está desarrollando computadoras cuánticas de iones atrapados. El objetivo de la empresa es llevar esta tecnología a aplicaciones comerciales, industriales y académicas.

Para ello, la empresa se centra en átomos ionizados, que, según cree, pueden permitir que sus computadoras realicen cálculos más sofisticados durante más tiempo y con menos errores.

Este mes, IonQ afirmó haber alcanzado una fidelidad de puerta de dos qubits superior al 99,9 % en sus plataformas de desarrollo de bario, acercándose a su sistema comercial, IonQ Tempo.

Este hito “marca un umbral crítico para sistemas de nivel empresarial,” dijo Dean Kassmann, vicepresidente senior de Ingeniería y Tecnología de IonQ, señalando que “cuanto mejor sea la fidelidad nativa de la puerta, menos corrección de errores en todas sus formas será necesaria. Una mayor fidelidad también es esencial para aplicaciones cuánticas más rápidas y precisas.”

El uso de iones de bario como qubits representa un cambio respecto a los iones de ytterbio con los que la empresa trabajó durante la mayor parte de su historia. Los iones de bario se han elegido por sus mayores velocidades de puerta, mayor límite de fidelidad nativa, mejor estabilidad, menores errores de preparación/medición de estado (SPAM) y rendimiento general superior.

IonQ también cuenta con una sólida cartera de patentes que ahora supera las 1.000, lo que, según afirma, posiciona a la empresa para desarrollar sistemas escalables, de alto rendimiento y rentables, acelerando su cronograma para una ventaja cuántica comercial sin precedentes.

Al 29 de septiembre de 2025, IONQ cerró en $64,26 (máximo histórico $75,14 el 23 de septiembre de 2025). Eso es aproximadamente 7,4 × por encima del cierre de $8,74 el 30 de septiembre de 2024. El rendimiento del año hasta la fecha varía según la ventana de la fuente, pero es aproximadamente ~+50–90 %. La capitalización de mercado ronda los $20–22 mil millones.

La empresa tiene un EPS (TTM) de -2,02 y un P/E (TTM) de -33,35.

En cuanto a sus finanzas, IonQ reportó $20,7 millones en ingresos para el segundo trimestre que finalizó el 30 de junio de 2025. La pérdida neta fue de $177,5 millones. El efectivo, equivalentes de efectivo e inversiones al final del período fueron $656,8 millones.

Durante este trimestre, la empresa fortaleció su balance mediante la mayor inversión de capital de una sola institución en la industria. IonQ también completó la adquisición de la empresa de interconexión cuántica Lightsynq y de la empresa de tecnología espacial Capella, y propuso la adquisición de Oxford Ionics por $1,075 mil millones.

“La combinación de la experiencia en hardware y software de IonQ y la implementación de Oxford de ion-trap-on-a-chip brinda al equipo, la propiedad intelectual, la tecnología y el impulso para lograr 800 qubits lógicos en 2027 y 80 000 qubits lógicos en 2030.”

– CEO Niccolo de Masi

En el segundo trimestre, IonQ informó haber logrado una aceleración de hasta 20 × en un flujo de trabajo de química computacional acelerada por quantum (para desarrollo de fármacos) en colaboración con AstraZeneca, NVIDIA y AWS.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de IonQ (IONQ)

Conclusión

Se espera ampliamente que la tecnología cuántica revolucione las industrias al resolver problemas complejos. El experimento récord en Caltech demuestra que la computación cuántica a gran escala y corregida por errores podría estar acercándose a la realidad.

Con dicha investigación, junto con nuevas arquitecturas, avances en materiales y actores comerciales que aceleran el desarrollo, la tecnología cuántica podría convertirse en una herramienta universalmente desplegable en los próximos años, permitiendo avances en la ciencia y la sociedad.

Haga clic aquí para obtener una lista de las principales empresas de computación cuántica.

Referencias

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms. Physical Review Letters, 133, 223402. Publicado 26 de noviembre de 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

2. Neven, H. (2024, 9 de diciembre). Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip. Google Research Blog. Retrieved from https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. Publicado 24 de septiembre de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. (Version of Record), publicado 24 de septiembre de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), publicado 26 de febrero de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7