Computación
Los Qubits de Milisegundos Marcan un Avance en la Tecnología Cuántica
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Avance en Qubits Superconductores a Escala de Milisegundos
Los ordenadores cuánticos podrían revolucionar la forma en que realizamos criptografía, calculamos simulaciones complejas como la configuración 3D de proteínas, y probablemente tengan muchas más aplicaciones que apenas estamos imaginando hoy.
Para funcionar, necesitan los “qubits” lo más estables posible, el elemento fundamental de la computación cuántica. Hasta ahora, solo los ordenadores cuánticos de “iones atrapados” han logrado generar qubits altamente estables. Pero esta tecnología es inherentemente más difícil de escalar que los qubits superconductores.
Así que, aunque los qubits superconductores podrían ser el futuro de esta tecnología, se requiere una mejora en la estabilidad del tiempo de coherencia de sus qubits.
Esto es precisamente lo que un gran equipo de investigadores de la Universidad de Princeton acaba de lograr. Crearon un tipo de qubits superconductores que pueden mantener la coherencia durante más de un milisegundo, 3 veces más que el mejor registro anterior.
Publicaron sus hallazgos en Nature1, bajo el título “Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits”.
El Límite de Coherencia del Qubit
Para realizar computación cuántica, un ordenador cuántico necesita mantener la “coherencia”, un estado cuántico especial que es extremadamente vulnerable a la interferencia del entorno. En general, el ruido térmico y el movimiento de partículas tienden a destruir la coherencia en nanosegundos.
En condiciones especiales, como condiciones ultra frías, la vida útil de un qubit puede durar más. Pero aun así, una coherencia lo suficientemente larga sigue siendo una limitación importante para la mayoría de los ordenadores cuánticos actuales, lo que genera errores de cálculo que no solo disminuyen la capacidad total de cómputo, sino que tampoco pueden compensarse fácilmente con actualizaciones de software.
Así que determinar qué material es capaz de mantener la coherencia por más tiempo es un paso clave que debe darse antes de alcanzar la etapa comercial para la industria de la computación cuántica.
“El verdadero desafío, lo que nos impide tener ordenadores cuánticos útiles hoy, es que construyes un qubit y la información simplemente no dura mucho.
Este es el próximo gran salto adelante.”
Cómo los Investigadores Extienden la Coherencia del Qubit Transmon
Los investigadores usaron el mismo tipo de qubits superconductores que utilizan empresas como Google o IBM en sus propios ordenadores cuánticos, transmon qubits.
Los qubits transmon tienen la ventaja de ser de alta fidelidad (fidelidades de puertas de un solo qubit superiores al 99,9%), posibles de producir a escala, y con tiempos de coherencia altos de 0,1 milisegundos.
Esto es prometedor, pero el tiempo de coherencia sigue siendo demasiado bajo.
Así que cuando los investigadores de Princeton anunciaron haber logrado crear un qubit con una duración promedio de 1,68 ms, se trató de una mejora masiva.
Fuente: Nature
Esto representa una duración del qubit 3 veces mayor que la mejor jamás creada en un laboratorio, y 15 veces más fuerte que la utilizada por empresas privadas que desarrollan ordenadores cuánticos.
Por Qué el Tantalio y el Silicio Mejoran la Coherencia Cuántica
El Tantalio Potenciando la Coherencia
Para lograr este resultado, los investigadores usaron dos mejoras diferentes en el material utilizado.
Primero, emplearon un metal llamado tantalio como capa base para ayudar a los frágiles circuitos a preservar energía. Esto se debe a que pequeños defectos ocultos en la superficie del metal pueden atrapar y absorber energía a medida que se desplaza.
Es especialmente problemático a medida que se añaden más qubits a un chip; este tipo de error se multiplica hasta el punto de volverlo inútil después de cierto número.
Se utilizó microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) para confirmar la estructura altamente regular de los cristales cúbicos de tantalio.
Fuente: Nature
En comparación con metales como el aluminio, el tantalio tiene muchos menos defectos y es altamente resistente a los procesos de limpieza agresivos usados para eliminar impurezas.
“Puedes poner tantalio en ácido, y aun así sus propiedades no cambian.”
Faranak Bahrami – Investigadora en la Universidad de Princeton
Cultivar tantalio directamente sobre silicio fue un desafío que requirió un esfuerzo extenso para superarlo.
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| Material del Qubit | Sustrato | Tiempo medio de coherencia | Densidad de defectos | Facilidad de fabricación |
|---|---|---|---|---|
| Aluminio | Zafiro | 0.1 ms | Alta | Media |
| Tantalio | Silicio de alta resistividad | 1.68 ms | Baja | Alta (compatible con semiconductores) |
El Silicio Reemplazando al Zafiro
Otra fuente de pérdida de energía que lleva a perder coherencia es el sustrato de zafiro usado en los chips cuánticos.
En su lugar, los investigadores usaron silicio de alta calidad (alta resistividad), un material estándar común en la industria de la computación tradicional.
Juntos, estas mejoras en los materiales usados en esta plataforma de tantalio sobre silicio hicieron que las puertas de un solo qubit alcanzaran una fidelidad del 99,994 %.
Del Avance de Laboratorio a Chips Cuánticos Escalables
Los investigadores continuaron usando su método para construir un chip cuántico totalmente funcional que supera todos los diseños anteriores.
Debido a que la tasa de error es multiplicativa, este tipo de mejora escala exponencialmente con el tamaño del sistema. Como resultado, la mejora de 10‑15× en la tasa de error para qubits individuales tiene un efecto mucho mayor en un ordenador de múltiples qubits.
Es importante destacar que tal qubit no es un concepto exótico nuevo, sino simplemente un qubit superconductivo “tradicional” que usa un material diferente, por lo que pueden integrarse fácilmente en los ordenadores cuánticos existentes y ser utilizados por el software de computación cuántica actual.
“Intercambiar los componentes de Princeton en el mejor procesador cuántico de Google, llamado Willow, permitiría que funcione 1.000 veces mejor.
Los beneficios del qubit de Princeton crecen exponencialmente a medida que aumenta el tamaño del sistema, por lo que añadir más qubits aportaría un beneficio aún mayor.”
Esto significa que el diseño de Princeton podría permitir que un hipotético ordenador de 1.000 qubits funcione aproximadamente 1.000.000.000 veces mejor.
Aún mejor, el uso de tantalio y silicio significa que el método de fabricación se ajusta a los ya empleados por la industria de semiconductores, lo que hace que la producción masiva sea un hito mucho más fácil de alcanzar que una tecnología completamente nueva.
Esta investigación parece indicar que los chips cuánticos de silicio, de los que hablamos previamente, son probablemente la dirección correcta para la industria de la computación cuántica.
Junto con mejores fuentes de luz cuántica, chips cuántico-fotónicos híbridos, y la posibilidad de transportar información cuántica junto con el flujo de datos de telecomunicaciones normal, estos pasos hacia ordenadores cuánticos mucho más grandes demuestran que la tecnología está alcanzando rápidamente la madurez comercial.
Invertir en Innovación de Computación Cuántica
1. Alphabet Inc.
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Google está muy activo en computación cuántica, principalmente a través de su laboratorio Google Quantum AI y campus Quantum AI en Santa Bárbara.
El ordenador cuántico de Google hizo historia en 2019 cuando afirmó haber alcanzado la “supremacía cuántica” con su máquina Sycamore. La máquina realizó un cálculo en 200 segundos que habría llevado a una supercomputadora convencional 10.000 años.
Esto ahora queda eclipsado por el rendimiento de su chip más reciente, llamado Willow. Este es el primer chip de computación cuántica que tiene una tasa de error lo suficientemente baja como para que, cuanto más qubits añadas, menos error obtengas. Lo convierte en el primer diseño de chip cuántico escalable.
Pero quizá la mayor contribución de Google será en software, una actividad donde tiene un impresionante historial, en realidad mejor que en hardware (Search, G Suite, Android, etc.).
Ya, el Quantum AI de Google pone a disposición un conjunto de software diseñado para ayudar a los científicos a desarrollar algoritmos cuánticos.
También aboga abiertamente por “investigadores, ingenieros y desarrolladores para que se unan a nosotros en este viaje revisando nuestro software de código abierto y recursos educativos, incluido nuestro nuevo curso en Coursera, donde los desarrolladores pueden aprender los fundamentos de la corrección de errores cuánticos y ayudarnos a crear algoritmos que resuelvan los problemas del futuro.”
Gracias a este enfoque abierto, Google ahora lidera tanto en hardware como en sus soluciones en la nube. Google podría ser una de las empresas que establezca los estándares del software y la programación cuántica, dándole una posición privilegiada para dirigir la evolución futura del campo.
Mientras tanto, las soluciones de IA, incluido el coche autónomo de Waymo, podrían convertirse en el nuevo motor de ingresos para Alphabet (GOOG ), que sigue manteniendo una posición dominada masivamente en las industrias de búsqueda y publicidad.
Puedes aprender más sobre las actividades de Google no relacionadas con la computación cuántica, especialmente anuncios y IA, en nuestro informe dedicado de diciembre de 2024.
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Estudio Referenciado:
1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4
