¿Demasiados qubits? Ya no: consiguieron comprimir la lógica cuántica hasta las vibraciones de un solo átomo

La creación de un ordenador cuántico completo sigue topándose con un problema clave: fallos caóticos que inevitablemente aparecen en los qubits. Para su supresión se introducen códigos especiales de corrección, en los que parte de los elementos del sistema se dedica a vigilar a los demás. Pero cuanto más nodos lógicos se requieren, más rápido crece el número de soportes físicos, y esa dependencia se convierte en un problema de ingeniería prácticamente irresoluble.

En el laboratorio de control cuántico de la Universidad de Sídney descubrieron que la escala puede reducirse. Los investigadores construyeron un elemento lógico entrelazado en un solo átomo, aplicando el esquema Gottesman–Kitaev–Preskill, a veces llamado la piedra de Rosetta de la informática cuántica. Convierte las oscilaciones continuas de un sistema cuántico en estados digitales discretos. Este recurso facilita la detección de errores, permite corregirlos y hace posible una colocación compacta de las celdas lógicas.

Hasta hace poco el código GKP seguía siendo teoría. Prometía una reducción considerable de los costes de hardware, pero exigía una precisión de control excepcional y se consideraba extremadamente difícil de implementar. Ahora ese concepto ha recibido una encarnación práctica. Para los experimentos se empleó el ion de iterbio retenido en una trampa de Paul. Sus propias vibraciones armónicas sirvieron de almacén para los códigos GKP y, al mismo tiempo, permitieron crear las primeras puertas universales entre ellos.

Los autores demostraron que dentro de un solo átomo es posible alojar dos nodos lógicos y conectarlos mediante entrelazamiento cuántico. El control se realizó mediante un software especial desarrollado por el laboratorio y la empresa Q-CTRL. Permite diseñar operaciones de modo que la estructura fina del GKP se conserve y no se destruya durante el procesamiento. En una serie de pruebas confirmaron la posibilidad de ejecutar operaciones universales con un solo ion.

El valor principal del trabajo es que, en lugar de enormes esquemas que requieren miles de soportes auxiliares, ahora bastan recursos mínimos. Los investigadores construyeron de hecho un sistema formado por dos modos de oscilación del átomo. Cada movimiento en distintas direcciones se consideró como un qubit independiente. Su entrelazamiento formó una puerta lógica que puede usarse para el cálculo.

Este enfoque reduce radicalmente las exigencias sobre la infraestructura de hardware. Las operaciones universales implementadas en esta serie de experimentos sientan las bases para futuros sistemas de procesamiento de información cuántica, donde la eficiencia se logra no aumentando el número de soportes, sino gracias al control fino de sus estados internos.

La investigación demuestra la posibilidad de construir puertas cuánticas con un número de recursos sustancialmente menor del que se pensaba antes. Esto abre el camino a arquitecturas más compactas y realistas, en las que cada ion puede desempeñar muchas más funciones que en las construcciones tradicionales.