Científicos revelan que los cúbits cuánticos cambian su estabilidad 1000 veces más rápido de lo que se creía
El gran descubrimiento que podría revolucionar la computación cuántica
Los ordenadores cuánticos prometen resolver problemas que hoy resultarían inabordables incluso para los superordenadores más potentes. Sin embargo, su funcionamiento depende de un elemento extremadamente delicado: el cúbit, la unidad básica de información cuántica. Estos sistemas, fabricados con circuitos superconductores que operan a temperaturas cercanas al cero absoluto, pueden perder su información con facilidad debido a interacciones con el entorno. Ese proceso de pérdida de energía, conocido como relajación, limita la fiabilidad de las operaciones cuánticas y se ha convertido en uno de los grandes obstáculos para escalar esta tecnología.
Un nuevo estudio experimental ha abordado este problema desde una perspectiva diferente: en lugar de intentar mejorar directamente los materiales o el diseño de los dispositivos, los investigadores se han centrado en observar con mayor precisión cómo cambian los cúbits a lo largo del tiempo. El trabajo, publicado en Physical Review X, presenta un sistema capaz de seguir en tiempo real las fluctuaciones en la pérdida de energía de estos dispositivos cuánticos. Esta capacidad de observación más rápida ha permitido examinar un comportamiento que hasta ahora quedaba oculto en las mediciones tradicionales.
El desafío silencioso de los cúbits superconductores
Los cúbits superconductores son uno de los candidatos más prometedores para construir ordenadores cuánticos prácticos. Su arquitectura permite integrarlos en circuitos complejos y controlarlos mediante pulsos de microondas, lo que facilita la ejecución de algoritmos cuánticos. A pesar de estas ventajas, presentan un problema persistente: su interacción con el entorno introduce pérdidas de energía que degradan la información cuántica.
En un cúbit superconductivo, el parámetro clave que describe esta pérdida es el llamado tiempo de relajación, habitualmente representado como T1. Este valor indica cuánto tarda el cúbit en pasar de un estado excitado a su estado fundamental, es decir, cuánto tiempo puede conservar su energía antes de disiparla. Cuanto mayor es ese tiempo, mayor es la fidelidad con la que pueden ejecutarse las operaciones cuánticas.
El artículo científico explica que la fidelidad de las operaciones en un procesador cuántico está fundamentalmente limitada por la decoherencia ambiental. En palabras del propio trabajo, «la fidelidad de las operaciones en un procesador cuántico de estado sólido está fundamentalmente limitada por la decoherencia ambiental». Este fenómeno se produce porque el cúbit no está completamente aislado: defectos microscópicos en los materiales o fluctuaciones del entorno pueden absorber su energía.
Además, cuando los procesadores cuánticos contienen muchos cúbits, el rendimiento global queda condicionado por los dispositivos más inestables. El propio estudio recuerda que la calidad del sistema completo puede quedar limitada por unos pocos cúbits problemáticos, lo que hace especialmente importante comprender cómo se comportan estos dispositivos a lo largo del tiempo.
Por qué las mediciones tradicionales no veían el problema
Durante años, los físicos han medido el tiempo de relajación de los cúbits utilizando métodos experimentales relativamente lentos. El procedimiento habitual consiste en excitar el cúbit y medir su estado tras distintos intervalos de espera, repitiendo el experimento muchas veces para construir una curva de decaimiento exponencial.
Este enfoque permite calcular el valor medio de T1, pero tiene una limitación importante: requiere acumular muchas mediciones durante segundos o incluso minutos. Como consecuencia, solo se obtiene una especie de promedio temporal del comportamiento del cúbit.
El artículo científico señala que los protocolos experimentales no adaptativos limitan la precisión temporal y pueden promediar características rápidas de la dinámica subyacente. Dicho de otro modo, si el cúbit experimenta cambios muy rápidos, esos cambios quedan ocultos dentro del promedio.
Esto significa que durante mucho tiempo los investigadores no podían saber si el cúbit se comportaba de forma estable o si estaba cambiando constantemente entre distintos estados de estabilidad. Las mediciones tradicionales ofrecían un valor aparentemente estable, aunque en realidad podían estar ocultando un comportamiento mucho más dinámico.
Esta limitación era especialmente problemática porque las fluctuaciones en la tasa de relajación ya se habían observado antes, pero solo en escalas de tiempo relativamente largas. El nuevo trabajo parte precisamente de la idea de que estas fluctuaciones podrían ser mucho más rápidas de lo que se pensaba.
Un sistema que mide la salud del cúbit en tiempo real
Para superar esta limitación, los investigadores desarrollaron un sistema de medición adaptativo capaz de seguir las variaciones del cúbit casi en tiempo real. El núcleo de este sistema es un controlador clásico equipado con un FPGA (Field-Programmable Gate Array), un tipo de procesador especializado que permite ejecutar cálculos extremadamente rápidos durante el propio experimento.
La idea central consiste en que el controlador actualiza continuamente su estimación del tiempo de relajación del cúbit a partir de cada medición individual. En lugar de realizar un conjunto fijo de experimentos y analizarlos después, el sistema ajusta los parámetros del siguiente experimento basándose en los resultados obtenidos en el anterior.
El estudio describe el objetivo del trabajo de forma directa: «superamos este límite de resolución temporal en dos órdenes de magnitud utilizando un controlador clásico basado en FPGA que sigue de forma adaptativa y continua las fluctuaciones del tiempo de relajación». Gracias a este enfoque, el sistema puede estimar el tiempo de relajación en cuestión de milisegundos.
En términos prácticos, el procedimiento funciona de la siguiente manera. El cúbit se prepara en un estado excitado mediante un pulso de microondas. Después se espera un intervalo de tiempo determinado y se mide su estado. A partir de ese resultado, el algoritmo bayesiano que corre en el FPGA calcula la estimación más probable del tiempo de relajación y decide cuál será el siguiente intervalo de espera.
Este proceso se repite decenas de veces, refinando continuamente la estimación. De esta manera, la medición se adapta dinámicamente al comportamiento del cúbit, lo que permite obtener información mucho más rápida y precisa sobre su estado.
La sorpresa que revelaron las nuevas mediciones
Cuando los investigadores aplicaron este sistema a cúbits superconductores de tipo transmon, descubrieron algo inesperado. Los tiempos de relajación no eran constantes ni cambiaban lentamente. En realidad, podían variar de forma abrupta en intervalos extremadamente cortos.
El artículo describe este hallazgo con claridad: «informamos de eventos en los que el tiempo de relajación cambia casi un orden de magnitud en escalas de tiempo de solo decenas de milisegundos». Este comportamiento contrasta con estudios anteriores, en los que los cambios se observaban en intervalos de minutos o incluso horas.
En la práctica, esto significa que un cúbit que parece estable en una medición puede volverse inestable apenas unas fracciones de segundo después. Estas transiciones rápidas generan lo que los investigadores llaman ruido telegráfico, un patrón en el que el sistema alterna entre distintos niveles de estabilidad.
El fenómeno parece estar relacionado con defectos microscópicos presentes en los materiales del dispositivo. Estos defectos, conocidos como sistemas de dos niveles, pueden absorber energía del cúbit cuando su frecuencia entra en resonancia con él.
El estudio sugiere que estos defectos cambian de estado a velocidades mucho mayores de lo que se creía. De hecho, los análisis estadísticos indican que algunos pueden conmutar hasta diez veces por segundo, lo que implica velocidades de fluctuación miles de veces más rápidas que las observadas anteriormente.
Lo que este descubrimiento significa para el futuro cuántico
Comprender estas fluctuaciones rápidas es esencial para mejorar los ordenadores cuánticos. En los procesadores actuales, la calidad global suele estar determinada por los cúbits más inestables, por lo que identificar cuándo un cúbit está funcionando mal puede marcar una gran diferencia.
El trabajo demuestra que es posible vigilar continuamente la estabilidad de cada cúbit mientras el procesador está funcionando. Esto abre la puerta a nuevas estrategias de control dinámico, en las que los algoritmos cuánticos podrían ejecutarse solo cuando los cúbits cumplen determinados criterios de estabilidad.
Los autores señalan que este tipo de monitorización podría cambiar la forma en que se calibran los procesadores cuánticos. Tradicionalmente, estas calibraciones se realizan cada cierto tiempo, a intervalos de minutos u horas. Sin embargo, los nuevos resultados sugieren que los parámetros relevantes pueden variar en escalas de milisegundos.
El artículo concluye que estos hallazgos «redefinen las escalas temporales relevantes para la calibración en unidades de procesamiento cuántico superconductoras». Comprender y controlar estas fluctuaciones será clave para construir procesadores cuánticos más grandes y fiables.
En otras palabras, antes de que los ordenadores cuánticos puedan escalar hasta miles o millones de cúbits, será necesario aprender a detectar y gestionar estos cambios ultrarrápidos. La tecnología presentada en este trabajo representa un paso importante en esa dirección.
Referencias
Berritta, F., Benestad, J., Krzywda, J. A., Krause, O., Marciniak, M. A., Krøjer, S., Warren, C. W., Hogedal, E., Nylander, A., Ahmad, I., Osman, A., Biznárová, J., Rommel, M., Fadavi Roudsari, A., Bylander, J., Tancredi, G., Danon, J., Hastrup, J., Kuemmeth, F., & Kjaergaard, M. (2026). Real-Time Adaptive Tracking of Fluctuating Relaxation Rates in Superconducting Qubits. Physical Review X. https://doi.org/10.1103/gk1b-stl3
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