El potencial de las computadoras cuánticas para revolucionar campos como el desarrollo de nuevos materiales, la investigación farmacéutica y la inteligencia artificial se ha anunciado durante mucho tiempo. La capacidad de estas máquinas para realizar cálculos que están fuera del alcance incluso de las supercomputadoras clásicas más potentes abre las puertas a avances científicos y tecnológicos sin precedentes. Sin embargo, la realización de este potencial depende de la superación de obstáculos significativos, principalmente relacionados con la velocidad y la fiabilidad de las operaciones cuánticas.

Las computadoras cuánticas se basan en bits cuánticos, o cúbits (o qubits), que, a diferencia de los bits clásicos (que pueden ser 0 o 1), pueden existir en una superposición de ambos estados simultáneamente. También pueden estar entrelazados cuánticamente, lo que significa que los destinos de dos o más cúbits están vinculados independientemente de su distancia. Estas propiedades permiten a las computadoras cuánticas explorar una gran cantidad de posibilidades en paralelo, lo que les otorga una ventaja exponencial para ciertas clases de problemas. Sin embargo, estas mismas propiedades cuánticas hacen que los cúbits sean extremadamente sensibles a las influencias externas y al ruido ambiental, lo que conduce a errores y a la pérdida de información cuántica, un proceso conocido como decoherencia.

El desafío de la velocidad y la fiabilidad en la computación cuántica

Uno de los desafíos clave en la construcción de computadoras cuánticas funcionales es la necesidad de realizar operaciones y mediciones (lectura de los estados de los cúbits) de forma extremadamente rápida. Los cúbits tienen un tiempo de vida limitado, conocido como tiempo de coherencia, durante el cual conservan sus propiedades cuánticas. Todas las operaciones, incluidas las necesarias para la corrección de errores, deben ocurrir dentro de esta corta ventana de tiempo antes de que la información cuántica se pierda irremediablemente. Cuanto más rápidas sean las operaciones, más se podrán realizar antes de la decoherencia, lo que permite cálculos más complejos y protocolos de corrección de errores más eficaces.

El proceso de lectura del estado de los cúbits es particularmente crítico. Implica la interacción del cúbit con un dispositivo de medición, a menudo a través de partículas de luz (fotones), para determinar si el cúbit se encuentra en el estado 0 o 1. La eficiencia y la velocidad de este proceso dependen directamente de la fuerza de la interacción, o acoplamiento, entre el cúbit (que actúa como un átomo artificial que almacena información) y el fotón (que transporta esa información). Un acoplamiento débil significa una lectura más lenta y potencialmente menos precisa, lo que representa un cuello de botella en el cálculo cuántico general.

Avance revolucionario de los científicos del MIT

Científicos del Massachusetts Institute of Technology (MIT) anunciaron recientemente un avance significativo que podría acelerar drásticamente las operaciones cuánticas y la lectura. En un artículo publicado ayer, 30 de abril de 2025, en la prestigiosa revista Nature Communications, el equipo demostró lo que creen que es el acoplamiento no lineal luz-materia más fuerte jamás logrado en un sistema cuántico.

Este logro representa un paso crucial hacia la realización de operaciones cuánticas y procesos de lectura que podrían realizarse en tan solo unos pocos nanosegundos, órdenes de magnitud más rápido que muchos enfoques existentes. El equipo del MIT utilizó una arquitectura innovadora de circuitos superconductores para lograr un acoplamiento no lineal luz-materia que es aproximadamente un orden de magnitud (unas 10 veces) más fuerte que las demostraciones anteriores. Un aumento tan significativo en el acoplamiento podría permitir que un procesador cuántico funcione aproximadamente diez veces más rápido.

"Esto realmente podría eliminar uno de los cuellos de botella en la computación cuántica", afirmó Yufeng “Bright” Ye, estudiante de doctorado del MIT (SM ’20, PhD ’24) y autor principal del estudio. "Normalmente, necesitas medir los resultados de tus cálculos entre rondas de corrección de errores. Esto podría acelerar el alcance de la etapa de computación cuántica tolerante a fallos (fault-tolerant) y permitir obtener valor real y aplicaciones de nuestras computadoras cuánticas".

Innovación en el corazón del avance: El acoplador quarton

La base de este éxito radica en años de investigación teórica dentro del grupo Quantum Coherent Electronics en el MIT, dirigido por Kevin O’Brien, profesor asociado e investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS). Después de que Ye se uniera al laboratorio en 2019, comenzó a desarrollar un detector fotónico especializado con el objetivo de mejorar el procesamiento de la información cuántica.

A través de este trabajo, Ye inventó un nuevo tipo de acoplador cuántico, un dispositivo que facilita las interacciones entre cúbits. Este dispositivo específico, llamado "acoplador quarton" (quarton coupler), mostró un inmenso potencial para su aplicación en operaciones cuánticas y lectura, convirtiéndose rápidamente en el foco de investigación del laboratorio.

El acoplador quarton es un tipo especial de circuito superconductor diseñado para generar acoplamientos no lineales extremadamente fuertes. La no linealidad en este contexto significa que el comportamiento del sistema va más allá de la simple suma de sus partes, mostrando propiedades de interacción más complejas. En los algoritmos cuánticos, a menudo son las interacciones no lineales las que son clave. Al aumentar la corriente suministrada al acoplador quarton, los investigadores pueden inducir una interacción no lineal aún más fuerte.

"La mayoría de las interacciones útiles en la computación cuántica surgen del acoplamiento no lineal de la luz y la materia. Si puedes lograr una gama más versátil de diferentes tipos de acoplamiento y aumentar su fuerza, entonces esencialmente puedes aumentar la velocidad de procesamiento de la computadora cuántica", explica Ye.

Arquitectura del experimento y mecanismo de acción

La configuración experimental diseñada por los investigadores del MIT consiste en un chip que contiene dos cúbits superconductores conectados por un acoplador quarton. Uno de los cúbits está configurado para actuar como resonador (un componente que oscila a una frecuencia específica), mientras que el otro sirve como un átomo artificial que almacena información cuántica (en estado 0 o 1). La información se transmite y se lee utilizando partículas de luz de microondas, es decir, fotones.

El proceso de lectura funciona dirigiendo luz de microondas hacia el cúbit. Dependiendo del estado cuántico del cúbit (0 o 1), se produce un pequeño desplazamiento en la frecuencia de resonancia del resonador asociado. Midiendo este desplazamiento de frecuencia, los científicos pueden determinar con precisión el estado del cúbit. La clave para la velocidad y precisión de esta medición es el acoplamiento no lineal luz-materia entre el cúbit y el resonador, que el acoplador quarton mejora significativamente.

"La interacción entre estos átomos artificiales superconductores y la luz de microondas que dirige la señal es la base de cómo se construye toda la computadora cuántica superconductora", explica Ye. Es precisamente el acoplador quarton el que permite el acoplamiento no lineal diez veces más fuerte en esta arquitectura.

Implicaciones para una lectura más rápida y operaciones cuánticas

La fuerza lograda del acoplamiento no lineal luz-materia abre el camino hacia sistemas cuánticos con lectura ultrarrápida, medida en nanosegundos. Esta drástica reducción en el tiempo requerido para la lectura impacta directamente en la capacidad de la computadora cuántica para realizar más operaciones dentro del tiempo de coherencia limitado de los cúbits.

Pero la historia no termina aquí. "Este trabajo no es el final de la historia. Es una demostración de física fundamental, pero ahora se está trabajando en el grupo para realizar una lectura verdaderamente rápida", dice O'Brien. Esto implica agregar componentes electrónicos adicionales, como filtros, para crear un circuito de lectura completo que podría integrarse en sistemas cuánticos más grandes.

Además, los investigadores también demostraron en su experimento un acoplamiento materia-materia extremadamente fuerte. Este es otro tipo de interacción, la que se da entre los propios cúbits, que es fundamental para realizar operaciones lógicas cuánticas (puertas cuánticas) que forman la base de los algoritmos cuánticos. Un acoplamiento materia-materia más fuerte también significa una ejecución más rápida de estas operaciones. Esta es otra área que el equipo planea explorar con más detalle en trabajos futuros.

Un paso hacia las computadoras cuánticas tolerantes a fallos

Las operaciones rápidas y la lectura rápida no son solo una cuestión de eficiencia; son cruciales para alcanzar el objetivo final: construir una computadora cuántica tolerante a fallos (fault-tolerant quantum computer). Debido a la fragilidad inherente de los cúbits y al ruido inevitable, las computadoras cuánticas generan errores constantemente. El concepto de tolerancia a fallos se basa en el uso de códigos de corrección de errores cuánticos (QEC), donde la información de un cúbit lógico se codifica utilizando múltiples cúbits físicos.

Los protocolos QEC requieren mediciones periódicas de los estados de los cúbits auxiliares para detectar y corregir errores, sin destruir la propia información cuántica codificada. Cuanto más rápidas sean las operaciones y las lecturas, más ciclos de QEC se podrán realizar dentro del tiempo de coherencia, reduciendo drásticamente la tasa de error general del cálculo.

"Cuantas más rondas de corrección de errores puedas realizar, menor será el error en los resultados", enfatiza Ye. El acoplamiento no lineal más fuerte habilitado por el acoplador quarton contribuye directamente a un funcionamiento más rápido del procesador cuántico con una tasa de error más baja, acercándonos a la era del procesamiento cuántico práctico, fiable y a gran escala.

Aunque se necesita mucho más trabajo antes de que esta arquitectura pueda implementarse en computadoras cuánticas reales a gran escala, la demostración de los principios físicos fundamentales que permiten un acoplamiento ultrarrápido representa un paso científico y de ingeniería significativo. Este trabajo, apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (U.S. Army Research Office), el Centro de Computación Cuántica de AWS (AWS Center for Quantum Computing) y el Centro de Ingeniería Cuántica del MIT (MIT Center for Quantum Engineering), allana el camino para futuras tecnologías cuánticas que podrían resolver algunos de los problemas más desafiantes del mundo.

Fuente: Massachusetts Institute of Technology