Los qubits de espín de silicio han sido durante mucho tiempo los prometedores sobrelogradores de la computación cuántica: se pueden fabricar utilizando los mismos métodos semiconductores que producen los chips de computadora actuales, lo que es el equivalente tecnológico de aparecer en un evento de etiqueta con un traje que ya tienes. El truco, por supuesto, es que cuando intentas controlar múltiples qubits a la vez, sus operaciones se vuelven menos precisas, algo así como pastorear gatos, si los gatos fueran subatómicos y tuvieran tendencia a cambiar de fase inesperadamente. Construir computadoras cuánticas prácticas y a gran escala requiere controlar muchos qubits simultáneamente mientras se mantienen los errores al mínimo, lo que ha sido el problema de larga data del campo: "sí, pero ¿cómo?".

Investigadores del Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente y sus colaboradores han logrado ahora un avance importante hacia la solución de esto. En un estudio publicado en Nature Physics, el equipo demostró un control altamente preciso de varios qubits de espín de silicio operando simultáneamente. Sus experimentos utilizaron una matriz de cinco qubits conectados a una línea de control de microondas compartida, porque aparentemente incluso los qubits cuánticos aprecian la eficiencia de un buen recurso compartido. Al identificar una causa importante de errores durante la operación simultánea, los científicos desarrollaron una técnica para reducir esos errores y mantener la precisión, demostrando que de hecho se puede tener los qubits y controlarlos también.

Leon Camenzind, científico investigador de RIKEN y coautor principal que supervisó los experimentos, explicó la importancia: "Esto muestra que se puede mantener un control de alta fidelidad incluso cuando varios qubits operan al mismo tiempo y representa un paso importante hacia la ampliación de procesadores cuánticos basados en silicio". Lo cual es jerga científica para "lo hicimos funcionar, y eso es un gran logro".

A diferencia de las computadoras convencionales, que almacenan información como bits que representan 0 o 1, las computadoras cuánticas usan bits cuánticos, o qubits, que pueden existir en combinaciones de ambos estados, porque ¿por qué elegir uno cuando puedes ser indeciso de una manera fundamentalmente útil? Los qubits de espín de silicio almacenan esta información utilizando el espín de electrones individuales confinados dentro del silicio. Realizar cálculos cuánticos confiables requiere un control extremadamente preciso sobre estos espines de electrones, lo cual es más fácil decirlo que hacerlo cuando se trata del equivalente cuántico de una habitación llena de niños pequeños.

Las señales de microondas proporcionan ese control, pero operar múltiples qubits simultáneamente puede crear efectos no deseados que interfieren con su precisión. Los investigadores rastrearon gran parte de este problema a un fenómeno llamado desplazamiento Stark de CA. Este efecto ocurre cuando las señales de control de microondas alteran los niveles de energía efectivos de un qubit, produciendo cambios en la fase de su estado cuántico. Esos cambios de fase pueden interrumpir la operación prevista de qubits individuales, particularmente cuando se controlan varios a la vez, un caso clásico de demasiados cocineros en la cocina cuántica.

Para contrarrestar el problema, el equipo creó un método de calibración que compensa estos cambios no deseados. En lugar de calibrar por separado cada combinación posible de qubits, lo que sería una pesadilla combinatoria, la técnica se basa en calibraciones realizadas entre pares de qubits. Esto hace que el enfoque sea más práctico para sistemas que contienen un mayor número de bits cuánticos. "En lugar de requerir un procedimiento de calibración completamente separado para cada combinación posible de qubits, nuestro método utiliza calibraciones entre pares de qubits para compensar los cambios de fase no deseados", explica Yi-Hsien Wu, el primer autor que llevó a cabo los experimentos como parte de su investigación doctoral. En otras palabras, encontraron una manera de evitar hacer la misma tarea tediosa hasta el infinito, lo cual es una victoria para la eficiencia y para la cordura de Wu.

Los investigadores combinaron su técnica de calibración con un diseño de dispositivo mejorado y pulsos de control de microondas cuidadosamente ajustados. Sus resultados mostraron que se podía mantener una precisión excepcionalmente alta incluso cuando múltiples qubits