Un procesador cuántico de silicio conecta once cúbits con una fidelidad superior al 99 %
Un chip de silicio, construido átomo a átomo, acaba de demostrar que la computación cuántica puede crecer sin perder precisión. El nuevo procesador conecta once cúbits con una fidelidad superior al 99 %, un paso decisivo hacia máquinas cuánticas realmente fiables.
Por Enrique Coperías
Ilustración conceptual a escala atómica de un procesador cuántico de silicio, donde átomos de fósforo insertados con precisión actúan como cúbits y se conectan mediante electrones compartidos. Crédito: IA-DALL-E-RexMolón Porducciones
Desde sus inicios en los años ochenta, la computación cuántica ha sido una promesa deslumbrante y esquiva: máquinas capaces de resolver problemas inabordables para los ordenadores clásicos, desde el diseño de nuevos materiales hasta la simulación de moléculas complejas.
Sin embargo, esa promesa tropieza siempre con el mismo obstáculo: cómo construir sistemas cuánticos lo bastante grandes, estables y fiables como para ser útiles en el mundo real. Un nuevo avance, publicado en la Nature, marca un hito importante en esa carrera y tiene como protagonista un material tan cotidiano como estratégico: el silicio.
Un equipo internacional liderado desde Australia por los físicos Hermann Edlbauer y Michelle Y. Simmons, de la Silicon Quantum Computing (SQC), en Sídney, ha logrado construir un procesador cuántico de once cúbits basado en átomos individuales de fósforo insertados con precisión atómica en una matriz de silicio ultrapuro.
¿Por qué es importante la fidelidad en computación cuántica?
Lo más notable del experimento no es solo el número de cúbits —todavía modesto frente a otras plataformas—, sino la calidad de las operaciones: todas las puertas cuánticas, tanto de uno como de varios cúbits, superan el 99 % de fidelidad, un umbral clave para la futura corrección de errores cuánticos.
En computación cuántica, la fidelidad lo es casi todo. Los cúbits son extremadamente frágiles: cualquier ruido eléctrico, térmico o magnético puede destruir la información cuántica que contienen. Por eso, cada operación debe ejecutarse con una precisión extrema.
«Aumentar el número de cúbits sin perder fidelidad es uno de los grandes retos del campo», señalan los autores. Este nuevo procesador demuestra que es posible escalar sistemas cuánticos en silicio manteniendo un control cuántico exquisito.
Cómo funciona un procesador cuántico basado en átomos de fósforo
El dispositivo se basa en una idea tan elegante como compleja: utilizar los espines nucleares de átomos de fósforo como cúbits de información, y los espines electrónicos asociados como intermediarios o auxiliares —o cúbits ancilla— para leer, controlar y entrelazar cúbits.
Los espines nucleares son extraordinariamente estables: pueden mantener la coherencia cuántica durante cientos de milisegundos, e incluso segundos, una eternidad en términos cuánticos. El precio es que son difíciles de manipular directamente. Ahí entran en juego los electrones.
El procesador combina dos registros cuánticos: uno con cuatro núcleos de fósforo y otro con cinco. Cada registro comparte un único electrón que interactúa con todos los núcleos cercanos mediante el acoplamiento hiperfino.
🗣️ «En la mayoría de los sistemas cuánticos, la escala se consigue a costa del rendimiento. Nuestro sistema aumenta en calidad a medida que se amplía, un logro inmenso que estamos orgullosos de compartir con el mundo —dice La fundadora y directora ejecutiva de SQC, Michelle Simmons. Y añade—: Es un reflejo de nuestras cuidadosas elecciones en cuanto a materiales, arquitectura y modalidad, lo que nos sitúa en el buen camino para ofrecer el primer ordenador cuántico a escala comercial del mundo».
Qué significa entrelazar cúbits dentro y entre registros
Además, los dos electrones de ambos registros están conectados entre sí a través de una interacción de intercambio cuántico, ajustable mediante voltajes eléctricos aplicados al chip. Esta arquitectura permite algo crucial: entrelazar cúbits no solo dentro de un mismo registro, sino también entre registros distintos, un paso esencial para construir procesadores cuánticos modulares y escalables.
Lograrlo no ha sido trivial. El equipo ha tenido que desarrollar nuevos protocolos de calibración cuántica y control cuántico que permiten manejar decenas de transiciones cuánticas diferentes sin que el sistema se vuelva inmanejable. Una de las claves ha sido observar que las frecuencias de resonancia de los espines se desplazan de forma colectiva, lo que permite recalibrar todo el sistema con solo un par de mediciones en lugar de decenas. Es un detalle técnico, pero con enormes implicaciones prácticas: sin este tipo de soluciones, la escalabilidad cuántica sería inviable.
Los resultados experimentales son impresionantes. Las operaciones sobre cúbits individuales alcanzan fidelidades de hasta el 99,99 %. Las puertas de dos cúbits, tanto entre núcleos como entre electrones, se sitúan sistemáticamente por encima del 99,6 %, y en algunos casos rozan el 99,9 %. Estas cifras colocan a este procesador entre los mejores del mundo en su categoría y lo acercan al umbral de corrección de errores cuánticos, considerado el santo grial de la computación cuántica.
Entrelazar hasta ocho espines nucleares a la vez
Para demostrar la conectividad cuántica real del sistema, los investigadores han ido más allá de las métricas estándar y han generado estados cuánticos entrelazados de creciente complejidad. Recordemos que se trata de estados cuánticos en los que dos o más partículas quedan correlacionadas de forma inseparable: lo que le ocurre a una afecta instantáneamente a las otras, aunque estén separadas por grandes distancias. En un sistema entrelazado, no se puede describir el estado de cada partícula por separado, solo el del conjunto.
Lo primero que hicieron Edlbauer, Simmons y sus colegas fue crear pares de cúbits en estados de Bell —la forma más simple de entrelazamiento cuántico— entre todas las combinaciones posibles de núcleos, tanto dentro de un registro como entre registros distintos. En los mejores casos, la fidelidad cuántica de estos estados supera el 99,5 %, un récord en dispositivos semiconductores cuánticos.
Después, el equipo ha abordado un desafío aún mayor: la generación de estados GHZ, una forma de entrelazamiento cuántico multipartito que involucra a muchos cúbits simultáneamente y que es extremadamente sensible a errores. Han logrado entrelazar hasta ocho espines nucleares a la vez, manteniendo una fidelidad suficiente para certificar entrelazamiento genuino.
Aunque la calidad disminuye a medida que aumenta el número de cúbits —algo inevitable con la tecnología cuántica actual—, el experimento demuestra que la arquitectura cuántica funciona incluso en escenarios complejos.
Investigadores han desarrollado un procesador cuántico de silicio con 11 cúbits y fidelidades superiores al 99 %, un paso clave hacia ordenadores cuánticos escalables y fiables. Cortes´
Por qué el silicio es clave para el futuro cuántico
Pero ¿por qué es tan relevante que todo esto se haga en silicio? Porque este metaloide es la base de la industria microelectrónica moderna. A diferencia de otras plataformas cuánticas, como los circuitos superconductores y los átomos neutros atrapados por láseres, los procesadores cuánticos de silicio pueden beneficiarse de décadas de experiencia industrial, técnicas de fabricación avanzada y una infraestructura ya existente.
En principio, eso abre la puerta a una integración cuántico-clásica más sencilla y a una producción a gran escala.
Eso no significa que el camino esté despejado. Los propios autores reconocen que el sistema actual opera bajo condiciones muy controladas: los cúbits espectadores —cúbits que no participan activamente en una operación cuántica, pero cuyo estado debe estar controlado, porque puede influir en el comportamiento de los cúbits que sí están siendo manipulados— deben estar en estados bien definidos para que las operaciones cuánticas funcionen como se espera.
Qué falta para llegar a ordenadores cuánticos útiles
El siguiente paso será demostrar que el procesador mantiene su rendimiento incluso cuando todos los cúbits están activos y en estados cuánticos arbitrarios, una condición indispensable para algoritmos cuánticos reales.
También queda trabajo por hacer en la ingeniería atómica. Algunos núcleos muestran un rendimiento inferior debido a acoplamientos hiperfinos débiles, interacciones débiles entre el espín del núcleo y el del electrón, que hacen que las operaciones cuánticas sean más lentas y más más vulnerables al ruido cuántico. La solución pasa por un control aún más preciso de la posición atómica de cada átomo de fósforo, un desafío que roza los límites de la tecnología actual, pero que ya ha demostrado ser posible en prototipos previos.
Aun así, el mensaje principal del estudio es claro: la computación cuántica en silicio ha dejado de ser una promesa lejana y se está convirtiendo en una plataforma cuántica sólida y competitiva. Frente a enfoques que apuestan por aumentar rápidamente el número de cúbits, este trabajo defiende una estrategia más paciente, esto es, crecer despacio, pero con una calidad tan alta que permita construir sistemas cuánticos fiables desde la base.
En un campo donde los titulares suelen centrarse en récords de cúbits o demostraciones espectaculares, este avance recuerda que la verdadera revolución cuántica no llegará solo con más cúbits, sino con cúbits mejores, más estables y mejor conectados. Y, quizá de forma inesperada, ese futuro podría estar construido sobre el mismo material que hoy sostiene nuestros teléfonos móviles y ordenadores: el silicio.▪️
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Información facilitada por el Silicon Quantum Computing
Fuente: Edlbauer, H., Wang, J., Huq, A .M. SE. et al. An 11-qubit atom processor in silicon. Nature (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09827-w
