Los ingenieros de Princeton han desarrollado un qubit superconductor que permanece estable tres veces más que los diseños más potentes disponibles en la actualidad. Esta mejora representa un paso importante hacia la construcción de computadoras cuánticas que puedan funcionar de manera confiable.
“El verdadero desafío, lo que nos impide tener computadoras cuánticas útiles hoy en día, es que se crea un qubit y la información no dura mucho”, dijo Andrew Huck, líder del Centro Nacional de Investigación Cuántica, financiado con fondos federales, decano de ingeniería en Princeton y co-investigador principal del artículo. “Éste es el próximo gran paso adelante”.
En un artículo publicado el 5 de noviembre. la naturalezaEl equipo de Princeton informó que su qubit mantiene la coherencia durante más de 1 milisegundo. Este rendimiento es tres veces la vida útil más larga registrada en pruebas de laboratorio y aproximadamente quince veces el estándar utilizado en los procesadores cuánticos industriales. Para confirmar los resultados, el equipo construyó un chip cuántico funcional basado en el nuevo qubit, lo que demuestra que el diseño puede admitir la corrección de errores y el escalamiento hacia sistemas más grandes.
Los investigadores señalaron que su qubit es compatible con arquitecturas utilizadas por grandes empresas como Google e IBM. Según su análisis, reemplazar componentes clave del procesador Willow de Google con el enfoque de Princeton podría aumentar su rendimiento en un factor de 1.000. Houck añadió que a medida que los sistemas cuánticos incorporan más qubits, las ventajas de este diseño aumentan más rápidamente.
Por qué los qubits son tan importantes para la computación cuántica
Las computadoras cuánticas son prometedoras para resolver problemas que las computadoras tradicionales no pueden resolver. Sin embargo, su capacidad actual es limitada porque los qubits pierden su información antes de completar cálculos complejos. Por lo tanto, aumentar el tiempo de coherencia es esencial para construir hardware cuántico práctico. La mejora de Princeton representa la mayor ganancia individual en un período constante en más de diez años.
Muchos laboratorios están aplicando diferentes tecnologías de qubits, pero el diseño de Princeton se basa en un enfoque ampliamente utilizado conocido como qubits transmon. Se sabe que los transmons, que funcionan como circuitos superconductores a temperaturas extremadamente bajas, son resistentes a las interferencias ambientales y compatibles con los equipos de fabricación modernos.
A pesar de este poder, aumentar la sincronización coherente de los qubits transmon ha resultado difícil. Los recientes hallazgos de Google han demostrado que los defectos materiales son ahora el principal obstáculo para mejorar sus nuevos procesadores.
Tantalio y silicio: una nueva estrategia de materiales
El equipo de Princeton desarrolló una estrategia de dos partes para abordar este desafío material. Primero, agregaron tantalio, un metal que ayuda a los circuitos delicados a retener energía. En segundo lugar, reemplazaron el sustrato de zafiro estándar por silicio de alta pureza, la base de la industria informática. El cultivo de tantalio directamente sobre silicio requirió resolver varios problemas técnicos relacionados con la interacción de los dos materiales, pero los investigadores lo lograron y descubrieron importantes ventajas en el proceso.
Natalie de Leon, codirectora de la Iniciativa Cuántica de Princeton y co-investigadora principal del proyecto, dijo que el diseño de tantalio-silicio no sólo funciona mejor que los enfoques anteriores sino que también es más fácil de construir a escala. “Nuestros resultados realmente están avanzando hacia los últimos avances”, afirmó.
Michel Devoret, científico jefe de hardware de Google Quantum AI, que aportó financiación parcial, describió la dificultad de ampliar la vida útil de los circuitos cuánticos. Señaló que el desafío se ha convertido en un “cementerio” de esfuerzos para resolverlo. “Nathalie tuvo el coraje de seguir realmente esta estrategia y hacerla funcionar”, afirmó Devoret, ganadora del Premio Nobel de Física 2025.
El proyecto recibió financiación inicial del Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del Departamento de Energía de EE. UU. y del Centro de Co-Diseño para Quantum Advantage (C2QA), centro dirigido por Houck de 2021 a 2025 y donde ahora se desempeña como científico principal. El artículo fue escrito por el investigador postdoctoral Faranak Bahrami y el estudiante graduado Matthew P. Lists Bland como coautor principal.
Cómo el tantalio mejora la estabilidad de los qubits
Houck, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática Anthony HP Lee ’79 P11 P14, explicó que la potencia de una computadora cuántica depende de dos factores principales. A es el número total de qubits que se pueden conectar entre sí. La otra es cuántas operaciones puede completar cada qubit antes de que se acumulen errores. Mejorar la estabilidad de un solo qubit refuerza ambos factores. Los tiempos de coherencia más prolongados permiten un escalado directo y una corrección de errores más fiable.
La causa más común de falla en este sistema es la pérdida de energía. Los defectos microscópicos de la superficie de los metales pueden atrapar energía y alterar los qubits durante el cálculo. Estas perturbaciones se multiplican a medida que se añaden más qubits. El tantalio es particularmente beneficioso porque generalmente tiene menos defectos de este tipo que metales como el aluminio. Al tener menos errores, el sistema genera menos errores y simplifica el proceso de corrección del resto.
En 2021, Houck y de Leon introdujeron el tantalio para chips superconductores con la ayuda del químico de Princeton Robert Cava, profesor de química Russell Wellman Moore. Cava, especialista en materiales superconductores, se interesó por el problema tras escuchar una charla de De León. Su conversación finalmente lo llevó a sugerir el tantalio como un material prometedor. “Luego fue y lo hizo”, dijo Cava. “Esa es la parte sorprendente”.
Investigadores de tres laboratorios siguieron esta idea y construyeron un circuito superconductor a base de tantalio sobre una capa de zafiro. Los resultados muestran una mejora significativa en el tiempo consistente con récords mundiales anteriores.
Bahrami señala que el tantalio se destaca porque es muy duradero y puede soportar la limpieza dura utilizada para eliminar la contaminación durante su fabricación. “Se puede poner tantalio en ácido y aun así las propiedades no cambian”, dijo.
Una vez que se eliminan los contaminantes, el equipo evalúa la pérdida de energía residual. Descubrieron que el sustrato de zafiro representaba la mayoría de los problemas restantes. El cambio a silicio de alta pureza elimina esa fuente de pérdidas, y una de las mayores mejoras logradas en los qubits transmon es la combinación de tantalio y silicio con una técnica de fabricación refinada. Houck describió el resultado como “un avance importante hacia la habilitación de la computación cuántica práctica”.
Houck añadió que las ventajas del diseño aumentan exponencialmente a medida que los sistemas crecen, reemplazar los qubits líderes en la industria actuales con versiones de Princeton podría permitir que una computadora teórica de 1.000 qubits funcione aproximadamente mil millones de veces más eficientemente.
Los diseños basados en silicio respaldan el crecimiento a escala industrial
El proyecto surge de tres áreas de especialización. El grupo de Houck se centra en el diseño y optimización de circuitos superconductores. El laboratorio de De Leon se especializa en metrología cuántica y los materiales y métodos de fabricación que determinan el rendimiento de los qubits. El grupo de Cava lleva décadas desarrollando materiales superconductores. Combinando sus puntos fuertes, el equipo produjo resultados que ninguno de los grupos podría haber logrado individualmente. Su éxito ya ha atraído la atención de la industria cuántica.
Devoret dijo que la colaboración entre universidades y empresas es esencial para avanzar en tecnologías avanzadas. “Existe una relación bastante armoniosa entre la industria y la investigación académica”, afirmó. Los investigadores universitarios pueden investigar los límites fundamentales del rendimiento cuántico, mientras que los socios industriales aplican esos resultados a sistemas a gran escala.
“Hemos demostrado que esto es posible con el silicio”, dijo De León. “El hecho de que hayamos mostrado cuáles son los pasos críticos y las propiedades subyacentes importantes que permitirán este tipo de tiempos consistentes, ahora hace que sea bastante fácil de adoptar para las personas que trabajan en procesadores escalados”.
“Vida de milisegundos y tiempos de coherencia en qubits transmon 2D” se publicó el 5 de noviembre en Nature. Junto con De Leon, Houck, Cava, Bahrami y Bland, los autores incluyen a Jeronimo GC Martinez, Paul H. Prestegaard, Basil M. Smitham, Atharv Joshi, Alexa, Alexa, Alexa, Alexa, Jeronimo GC Martinez. Shaswat Kumar, Apurva Jindal, Ray De Chang, Ambrose Yang, Guangming Cheng y Nan Yao. Esta investigación recibió apoyo parcial del Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencias, el Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica, el Centro de Co-Diseño para Quantum Advantage (C2QA) y Google Quantum AI.
