Mapeo de las posiciones de Sistemas de Dos Niveles en la superficie de un qubit transmon superconductor

Buscando fallos ocultos en chips cuánticos

Los ordenadores cuánticos superconductores prometen abordar problemas que desbordan a las máquinas actuales, pero están lastrados por pequeños fallos que silenciosamente consumen su rendimiento. Este estudio muestra cómo localizar a esos causantes de problemas, llamados sistemas de dos niveles, en la superficie de un tipo popular de bit cuántico, ayudando a los ingenieros a ver exactamente qué partes de un chip dañan más su fiabilidad.

Por qué importan los defectos diminutos

En los sólidos que componen un procesador cuántico, algunos átomos no permanecen fijos en un solo sitio sino que pueden tunelizar entre dos posiciones próximas. Cada uno de esos defectos se comporta como un pequeño interruptor con dos estados, conocido como sistema de dos niveles. Cuando estos interruptores llevan carga, interactúan fuertemente con los delicados campos eléctricos que almacenan información en un qubit superconductor. Si la energía de un qubit puede transferirse a un defecto cercano, el estado cuántico se desvanece más rápido, acortando la vida útil útil del qubit.

Convertir bits cuánticos en sensores locales

Los investigadores usan un qubit transmon, un diseño ampliamente empleado construido a partir de una isla metálica en forma de cruz conectada a un plano de tierra circundante mediante un par de junturas de Josephson. Alrededor de esta estructura trazaron cuatro almohadillas metálicas adicionales que actúan como electrodos de puerta. Al aplicar voltajes estáticos cuidadosamente escogidos a esas almohadillas, crean campos eléctricos locales que desplazan suavemente las frecuencias naturales de los defectos cercanos. Porque cada defecto responde de forma distinta a cada puerta, el qubit y su entorno se convierten efectivamente en una pequeña matriz de sensores que puede detectar dónde se localizan defectos individuales.

Mapear defectos por su huella eléctrica

Para encontrar un defecto, el equipo primero utiliza un experimento temporal llamado espectroscopía de intercambio (swap spectroscopy). Excitan el qubit, ajustan brevemente su frecuencia y luego miden cuánta energía queda. Cuando la frecuencia del qubit coincide con la de un defecto, la energía se intercambia entre ellos y el qubit se relaja más rápido, revelando el defecto como una depresión en la vida media. Repetir esto mientras se barren los voltajes en cada electrodo de puerta muestra cuánto se desplaza ese defecto cuando se polariza cada almohadilla. El patrón de estos desplazamientos se compara luego con simulaciones detalladas por ordenador de los campos eléctricos alrededor del qubit, lo que permite al equipo triangular la posición más probable de cada defecto en la superficie del chip.

Dónde viven realmente los defectos

Usando este método, los investigadores mapearon 55 defectos superficiales individuales en un único qubit transmon. Sorprendentemente, casi el sesenta por ciento de los defectos problemáticos se agruparon cerca de las estrechas patillas de las junturas de Josephson, a pesar de que la mayor parte del área del chip y de la energía del campo eléctrico residen en las grandes almohadillas del condensador y en el plano de tierra. El análisis sugiere que la densidad de defectos es aproximadamente el doble cerca de las patillas de las junturas que en las superficies metálicas más anchas. Esto apunta al propio proceso de fabricación del chip —especialmente la técnica de lift-off usada para trazar el cableado de las junturas— como una fuente probable de mayor desorden, residuos y rugosidad que favorecen la formación de defectos.

Orientar mejor el hardware cuántico

Al mostrar no sólo cuántos defectos acoplan a un qubit sino exactamente dónde son más comunes, este trabajo ofrece a los diseñadores de chips una nueva herramienta para centrar sus esfuerzos. Los resultados abogan por procesos más limpios y suaves cerca de las patillas de las junturas, por diseñar los cables para repartir los campos eléctricos y por usar electrodos en el chip para empujar los defectos más dañinos fuera de las frecuencias del qubit. En términos sencillos, el estudio ofrece un mapa de los peores puntos conflictivos en un chip cuántico y sugiere rutas prácticas hacia qubits más tranquilos y de vida más larga.

Cita: Lisenfeld, J., Händel, A.K., Daum, E. et al. Mapping the positions of Two-Level-Systems on the surface of a superconducting transmon qubit. npj Quantum Inf 12, 80 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01272-5

Palabras clave: qubits superconductores, sistemas de dos niveles, decoherencia cuántica, junturas de Josephson, fabricación de hardware cuántico