El Premio Nobel de Física para Juan Ignacio Cirac (junto a Peter Zoller) está esperando un nuevo hito experimental en la tecnología de ordenadores cuánticos basados en iones atrapados. En 2001 una pinza óptica atrapó un átomo (Nature); en 2016 se logró atrapar 50 átomos (Science). Se acaba de publicar en Nature una técnica que permite mantener 3000 átomos de rubidio-87 en un estado cuántico coherente durante dos horas. Parece imposible, ya que el tiempo de coherencia del Rb-87 en la trampa magneto-óptica usada es de apenas un segundo. Se ha diseñado un sistema de inyección pulsada de Rb-87 que compensa las pérdidas en una matriz de almacenamiento de 90 × 36 = 3240 átomos enfriados a 270 μK (microkelvin). Se inyectan a un ritmo de 30 000 átomos por segundo a partir de un reservorio de 2.5 millones de Rb-87 enfriados a 120 μK gracias a unas cintas transportadoras (ópticas). El estado inicial del cúbit en el Rb-87 se prepara en una zona intermedia antes de pasar a la zona de almacenamiento. La técnica experimental es espectacular; un resultado increíble, siendo algo que parecía imposible de imaginar. Por supuesto, todavía no se ha dado el último paso, la implementación de un ordenador cuántico en la matriz de almacenamiento. Creo que se acerca el Premio Nobel para Cirac. El nuevo sistema de almacenamiento de cúbits también será útil en metrología cuántica y otras aplicaciones.
La nueva plataforma de computación cuántica con iones atrapados es fascinante. Los cúbits se implementan de forma estándar con iones de rubidio-87 usando sus estados 5S1/2. En el reservorio los Rb-87 están en un estado «protegido» entre 5P3/2 ↔ 4D5/2, pasando a un estado 5P3/2 ↔ 5S1/2 en la zona de preparación y luego se inyectan con un estado inicial como cúbit en la zona de almacenamiento. Entre el reservorio en la cinta transportadora y la zona de preparación la distancia físíca es de 220 μm, y entre esta y la zona de almacenamiento de 210 μm. Para verificar la coherencia de los cúbits se ha usado una aplicación repetida de la operación cuántica XYM-N (llamada protocolo de desacoplamiento dinámico), que consiste en repetir N veces (N = 16 o 64) una secuencia de M pulsos π (M = 4, 8 o 16) que aplican de forma secuencial y alternada una puerta lógica de Pauli tipo X (rotación de 180 grados, o π radianes, en el eje X de la esfera de Bloch del cúbit) y de tipo Y (rotación de 180 grados en el eje Y de la esfera de Bloch). Se ha repetido de forma continua, cada 80 ms, la aplicación de un pulto π/2, una operación cuántica XY16-64 y otro pulso π/2.
Para evaluar el hito que significa alcanzar dos horas (7200 segundos) de tiempo de coherencia hay que recordar que en trampas magneto-ópticas el récord anterior rondaba un minuto (60 segundos). Sin lugar a dudas todo un logro en la tecnología cuántica de iones atrapados. He disfrutado mucho de la lectura del artículo, cuya introducción está muy bien escrita. Como es obvio, la parte técnica, sobre todo la metodología, requiere estar acostumbrado al lenguaje usado en estos trabajos. El artículo es Neng-Chun Chiu, Elias C. Trapp, …, Mikhail D. Lukin, «Continuous operation of a coherent 3,000-qubit system,» Nature (15 Sep 2025), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09596-6, arXiv:2506.20660 [quant-ph] (25 Jun 2025).
Por cierto, también se ha logrado mantener coherentes 3000 cúbits con iones de rubidio-87, aunque con fidelidades (para la puerta de Clifford de un solo cúbit) mucho más altas, 0.99964(3), aunque solo durante unos 7 segundos, en Lingfeng Yan, Stefan Lannig, …, Jun Ye, «High-Power Clock Laser Spectrally Tailored for High-Fidelity Quantum State Engineering,» Phys. Rev. X 15: 031055 (26 Aug 2025), doi: https://doi.org/10.1103/qw53-8b8r. Los avances en este tipo de tecnología están siendo continuos en los últimos años.
Este vídeo de YouTube (incluido en la información suplementaria) explica la idea del mecanismo de inyección de átomos desde la zona de preparación a la zona de almacenamiento. Como es obvio, mantener la coherencia de cúbits en un estado inicial preparado es el primer paso para construir un ordenador cuántico de propósito general. Ya hay muchas técnicas para ejecutar puertas lógicas en los cúbits de una matriz de átomos de Rb-87, pero habrá que avanzar en ellas para que sean prácticas en una matriz de 90 × 36 átomos. Con toda seguridad habrá que usar cúbits lógicos, implementados con un algoritmo de corrección de errores (ya que algunos átomos se pierden en el proceso de inyección). Queda mucho trabajo por hacer para que se haga realidad un ordenador cuántico con esta nueva tecnología de inyección de átomos. Pero no parece que haya problemas imposibles de resolver.
Esta figura ilustra la idea del sistema y una muestra (snapshot) del estados de los átomos en la matriz (se obseva que hay algunas vacantes). También se observa como en el almacenamiento el número de átomos (en color rojo) se mantiene casi constante durante más de 120 minutos (2 horas). Sin el sistema de inyección, el número de átomos decae de forma muy rápida (como se muestra en color gris). La belleza del sistema de inyección de iones no nos debe cegar, el sistema tiene muchos componentes que son fuentes potenciales de error. Por supuesto, se puede soñar con muchas mejoras técnicas en este sistema: la optimización de los tiempos de preparación y lectura, la automatización de la alineación de haces, el uso de ópticas difractivas de mayor eficiencia y de láseres más potentes. Estas mejoras podrían multiplicar por cinco la tasa de recarga y escalar el número de cúbits a decenas de miles (según los autores del estudio, que siempre son más bien optimistas).
Un punto que no debemos olvidar nunca es que desarrollar un sistema de almacenamiento de miles de cúbits durante horas solo es el primer paso hacia un ordenador cuántico universal tolerante a fallos durante horas. Por ejemplo, la fidelidad de las puertas lógicas cuánticas entrelazadas (~99.5 %) y en la preparación de los cúbits (~98 %) son insuficientes para la aplicación práctica de técnicas de corrección de errores (que suelen requerir fidelidades ≥ 99.9 %). El sistema de inyección continua de cúbits introduce errores lógicos que impiden ejecutar algoritmos con suficiente número de operaciones como para permitir una corrección de errores eficaz. Pero, como también es obvio, estamos ante un prototipo de un sistema de almacenamiento de iones que ha avanzado mucho en el último y que avanzará mucho más en los próximos años.
Esta figura ilustra el protocolo de desacoplamiento dinámico con operaciones XY16-64 repetidas cada 80 ms. Se observa como las recargas de iones reducen la probabilidad de lectura (readout probability), que es la probabilidad de medir el cúbit en un estado concreto (p. ej., |1⟩) al hacer la lectura por imagen de la matriz de iones normalizada por la probabilidad de que el ión siga presente. En la figura de abajo se observan curvas azules que decrecen desde 1 con el tiempo y representan la probabilidad de leer el cúbit en el estado inicial preparado (p. ej., |1⟩), y curvas rojas que crecen desde 0 con el tiempo y representan la probabilidad de leerlo en el estado opuesto (p. ej., |0⟩). Las curvas grises en el centro rondando 0.5 representan la descoherencia y la tendencia hacia una distribución mixta (igual probabilidad para |0⟩ y |1⟩) cuando el tiempo se alarga. Este tipo de curvas tendrán que mejorar mucho para que se puedan implementar algoritmos de corrección de errores de forma efectiva con esta tecnología. Lo que no quita que sea fascinante y muy prometedora.