Los ordenadores cuánticos prometen revolucionar tareas que la computación clásica simplemente no puede abordar, desde la optimización compleja hasta simulaciones moleculares precisas. Dentro de las muchas plataformas para desarrollar estos sistemas, los qubits superconductores se han posicionado como una de las más viables. Estos pequeños circuitos basados en materiales superconductores permiten operar con alta velocidad y, en muchos casos, con una fidelidad aceptable. Sin embargo, a medida que se intenta escalar estos sistemas, surgen problemas como el «crowding de frecuencias«, donde demasiados qubits trabajando en frecuencias similares interfieren entre sí, y la dificultad para controlar o medir muchos qubits a la vez.
Frente a estos desafíos, surge una alternativa prometedora: la computación cuántica distribuida, un concepto que recuerda a las redes de computadoras clásicas, pero llevado al terreno de la cuántica. En lugar de construir un único chip cuántico con miles de qubits, se plantea conectar varios chips más pequeños y manejables, como si fueran las piezas de un rompecabezas que trabajan juntas.
Entrelazamiento sin transferencia: una nueva estrategia
Para que esta arquitectura distribuida funcione, es imprescindible crear puertas cuánticas entrelazadas (entangling gates) entre qubits que están en chips distintos. Estas puertas no son comandos comunes; son instrucciones que generan entrelazamiento, una propiedad cuántica que vincula los estados de dos qubits aunque estén separados físicamente. Hasta ahora, muchas implementaciones lograban conectar chips remotos mediante transferencia de estados cuánticos (QST), pero este método no resulta adecuado para realizar cálculos cuánticos universales, pues es más bien una estrategia de comunicación que de procesamiento.
Investigadores de la Beijing Academy of Quantum Information Sciences y la Academia China de Ciencias han dado un paso importante en este campo al demostrar puertas de entrelazamiento de alta fidelidad entre dos chips cuánticos separados por 30 centímetros. Publicado en Physical Review Letters, el estudio describe una estrategia novedosa para lograr este tipo de conexiones sin necesidad de transferir el estado completo del qubit.
El papel de los cables de microondas como cavidades
En lugar de usar la transferencia cuántica como en estudios anteriores, el equipo de investigadores decidió aprovechar el efecto de resonancia cruzada (cross-resonance effect), un fenómeno ya conocido por facilitar puertas de dos qubits dentro de un mismo chip. En esos casos, los qubits se conectan mediante pequeños condensadores. Lo innovador del nuevo enfoque es usar un cable de microondas como una cavidad resonante para conectar los chips.
Imaginemos que dos personas quieren comunicarse desde habitaciones separadas, y en vez de gritar o pasar notas, colocan una cuerda tensa entre dos latas. Si vibran la cuerda de la manera correcta, pueden escucharse. Algo similar ocurre en este experimento: el cable de microondas actúa como una cavidad armónica lineal, que permite acoplar los qubits de manera eficiente mediante modos de onda estacionarios. Así, los investigadores lograron implementar dos de las puertas cuánticas más utilizadas: la CNOT y la CZ, ambas fundamentales para ejecutar algoritmos cuánticos complejos.
Simplicidad en el diseño, eficacia en la ejecución
Uno de los puntos más destacables del experimento es su sencillez técnica. A diferencia de otras propuestas que requieren qubits intermedios o líneas de control adicionales, este sistema funciona con los elementos ya existentes en el hardware básico. De hecho, el montaje incluye dos cajas de chips independientes conectadas por un simple cable coaxial. Cada chip tiene una configuración estándar con un transmon, una línea de transmisión y una cavidad resonadora, sin componentes adicionales ni arquitectura compleja.
Este enfoque directo y sin complicaciones podría facilitar en el futuro la fabricación de sistemas modulares, en los que sea posible conectar o sustituir chips como si se tratara de piezas intercambiables de un ordenador tradicional. De hecho, el equipo planea modificar el sistema para que el cable de microondas sea «plug and play», es decir, que se pueda conectar y desconectar sin desmontar todo el conjunto, algo especialmente útil cuando se trabaja con refrigeradores de dilución que mantienen los sistemas a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Hacia el procesamiento cuántico universal y escalable
Este logro marca un hito relevante en el camino hacia la computación cuántica escalable. Lograr puertas cuánticas entrelazadas de alta fidelidad entre chips remotos significa que ya no es imprescindible escalar en el mismo chip, lo que abre un abanico de posibilidades para diseños más robustos y flexibles. En el horizonte, los investigadores ya planean la construcción de chips más grandes, con unos 100 qubits, que podrían entrelazarse usando este mismo principio.
Otra aplicación prometedora es la posible implementación de códigos de corrección de errores LDPC cuánticos, necesarios para que los sistemas cuánticos funcionen de manera confiable a gran escala. Estos códigos permiten detectar y corregir errores sin destruir el estado cuántico, algo fundamental en entornos tan delicados como los que manejan bits cuánticos.
Al igual que un puente colgante une dos orillas sin necesidad de rellenar el río, esta nueva técnica permite conectar procesadores cuánticos lejanos sin complejas infraestructuras intermedias. Con cada avance en esta dirección, se reduce la distancia entre la teoría cuántica y su aplicación real en problemas cotidianos.
