Operaciones lógicas universales en un procesador cuántico de silicio

Convertir bits cuánticos frágiles en herramientas fiables

Los ordenadores cuánticos prometen resolver ciertos problemas mucho más allá del alcance de las máquinas actuales, pero sus componentes básicos, conocidos como qubits, son extremadamente frágiles. Este estudio muestra cómo qubits fabricados en silicio pueden combinarse para comportarse más como portadores de información robustos, acercando la computación cuántica práctica a las tecnologías ya usadas en la electrónica cotidiana.

Por qué importa basarse en silicio

La mayoría de nuestros ordenadores clásicos funcionan con chips de silicio, por lo que poder fabricar hardware cuántico en el mismo material podría facilitar enormemente la producción y la escalabilidad de dispositivos futuros. El equipo trabaja con qubits de espín formados por átomos de fósforo colocados con precisión atómica dentro de un cristal de silicio. Estos espines pueden conservar información cuántica durante tiempos largos, y trabajos previos han demostrado que qubits individuales y pequeños grupos pueden controlarse con gran precisión. Lo que faltaba en silicio era el siguiente paso: ejecutar operaciones “lógicas” completas que protejan activamente la información frente al ruido.

Almacenar un bit lógico en varios físicos

Los investigadores usan un esquema ingenioso llamado código [[4, 2, 2]], en el que cuatro qubits físicos almacenan conjuntamente dos qubits lógicos, mientras que un quinto qubit actúa como apoyo. En lugar de confiar en un único qubit, la información se reparte entre los cuatro, de modo que ciertos fallos en una sola partícula pueden detectarse y descartarse. El dispositivo se construye trazando patrones en una superficie de silicio con un microscopio de efecto túnel y luego dopando las regiones patrones con átomos de fósforo para formar un clúster compacto de cinco espines nucleares que actúan como qubits. Mediante pulsos magnéticos calibrados cuidadosamente, el equipo prepara dos estados lógicos, incluido un par entrelazado de tipo “Bell”, y demuestra que, una vez eliminados los datos afectados por errores detectables, estos estados lógicos se reproducen con fidelidades superiores al 95%.

Mantener la información cuántica viva y bajo control

Para comprobar la robustez de su información lógica, los autores observan cómo cambian los estados codificados con el tiempo. Registran distintos tipos de errores y observan que las inversiones de fase cuántica dominan sobre los simples intercambios de bit, un “sesgo de ruido” que la teoría sugiere que puede hacer la corrección de errores más eficiente. El equipo demuestra entonces una caja de herramientas completa de puertas lógicas: operaciones que invierten, rotan y entrelazan los qubits lógicos sin necesidad de decodificarlos de regreso a espines individuales. La mayoría de estas puertas se realizan directamente con interacciones nativas en el clúster de donantes. Un tipo especial de rotación, conocida como puerta T y esencial para una computación cuántica verdaderamente general, se consigue de forma indirecta implicando un qubit auxiliar y usando los resultados de medidas para decidir cómo se ha rotado el qubit lógico.

Crear combustible cuántico especial y probar un algoritmo real

Las mismas operaciones tipo T también permiten al equipo preparar los llamados “estados mágicos”, patrones especiales de superposición cuántica necesarios para ejecutar algoritmos universales con corrección de errores. Se crean y miden varias versiones de estos estados, y una variante supera el umbral de calidad conocido requerido para futuros procesos de purificación. Para mostrar un uso práctico, los investigadores ejecutan un pequeño cálculo de química cuántica usando una rutina híbrida cuántico–clásica llamada solucionador variacional de valores propios (VQE). Con solo dos qubits lógicos, aproximan la energía del estado fundamental de una molécula de agua mientras cambia su ángulo de enlace, aplicando pasos adicionales de limpieza de datos para contrarrestar el ruido restante. La curva de energía resultante concuerda de cerca con las expectativas teóricas, aunque el hardware subyacente todavía sea relativamente pequeño.

Qué significa esto para las máquinas cuánticas del futuro

Este trabajo marca la primera vez que se demuestran operaciones lógicas universales en un procesador cuántico basado en silicio construido con átomos donantes. Al codificar la información en varios espines, detectar errores a posteriori y aún así ejecutar con éxito un algoritmo inspirado en la química, los autores demuestran que los qubits de espín en silicio pueden superar los bloques aislados y avanzar hacia unidades protegidas y programables. Con una fabricación mejorada para colocar mejor los donantes, una reducción del acoplamiento no deseado entre señales de control y matrices mayores de estos clústeres, esquemas lógicos similares podrían escalar hasta ordenadores cuánticos tolerantes a fallos prácticos que estén mucho más cercanos a la tecnología de chips actual.

Cita: Zhang, C., Xu, F., Zhang, S. et al. Universal logical operations in a silicon quantum processor. Nat. Nanotechnol. 21, 635–641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02140-1

Palabras clave: procesador cuántico de silicio, qubits lógicos, código [[4, 2, 2]], computación cuántica tolerante a fallos, química cuántica