Un experimento con un solo ion ha demostrado, por primera vez, operaciones universales en cúbits GKP, un avance crucial para reducir el hardware necesario en la computación cuántica.
Fuente: ChatGPT / E. F.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 22.08.2025
El código GKP adopta un enfoque diferente. En lugar de basarse en múltiples cúbits físicos, codifica la información cuántica en un solo oscilador armónico, como el movimiento vibratorio de un ion. Esto permite corregir errores sin tanto gasto de hardware, aunque a cambio requiere un control experimental muy sofisticado. Hasta ahora, esta complejidad había impedido su implementación práctica. El estudio liderado por el Dr. Tingrei Tan y su equipo ha logrado sortear ese obstáculo con éxito.
“Nuestro enfoque es compatible con arquitecturas de hardware existentes y demuestra el potencial de las técnicas de control óptimo combinadas con esquemas avanzados de codificación para acelerar el camino hacia el procesamiento cuántico de información a gran escala y con tolerancia a fallos”, afirma el artículo. Es una afirmación ambiciosa, pero respaldada por resultados concretos.
Una puerta lógica universal con un solo ion
Uno de los mayores logros del experimento es haber demostrado una puerta lógica universal usando un solo ion de iterbio, atrapado en una estructura llamada trampa de Paul. Este ion actúa como sistema físico sobre el que se implementan dos modos vibratorios distintos, que permiten codificar cúhttps://www.muyinteresante.com/ciencia/que-es-un-cubit.htmlbits GKP en direcciones ortogonales del movimiento.
Este diseño experimental permite realizar tanto operaciones individuales sobre cúbits como entrelazamientos entre dos de ellos, lo cual es fundamental para ejecutar cualquier algoritmo cuántico completo. Según explican los autores, lograron implementar un conjunto de puertas lógicas esenciales —incluyendo rotaciones y una operación de control entre dos cúbits— que, en conjunto, forman la base mínima necesaria para realizar una computación cuántica universal.
Estas puertas se aplicaron mediante pulsos láser con modulación precisa, optimizados numéricamente para evitar distorsionar los delicados estados GKP. Los autores destacan que su método evita el deterioro de las envolventes gaussianas que estabilizan estos cúbits, un problema habitual en intentos anteriores.
Esquema de las puertas lógicas GKP implementadas en un solo ion de iterbio atrapado. Fuente: Nature Physics¿Qué son los códigos GKP?
Uno de los mayores retos de la computación cuántica es que los cúbits, las unidades básicas de información, son extremadamente sensibles al ruido y a las interferencias del entorno. Para evitar que pierdan su información, normalmente se recurre a técnicas de corrección de errores que duplican o triplican los cúbits físicos. El problema es que esto aumenta exponencialmente la cantidad de hardware necesario, dificultando la construcción de ordenadores cuánticos funcionales a gran escala.
Los códigos GKP, propuestos en 2001 por Gottesman, Kitaev y Preskill, ofrecen una solución alternativa: en lugar de usar varios cúbits físicos, codifican la información en un solo sistema físico que vibra de forma controlada, como un oscilador armónico. Estos sistemas tienen un espacio de estados continuo, y el código GKP crea una especie de cuadrícula interna, un patrón matemático muy preciso que permite detectar y corregir desviaciones. Así, cada punto de esa cuadrícula actúa como una referencia para saber si el estado cuántico se ha desviado por culpa del ruido.
Este enfoque combina lo mejor de dos mundos: usa sistemas continuos, que son más fáciles de manipular con precisión, y añade una estructura digital interna que permite corrección de errores eficiente con menos recursos físicos. En la práctica, un código GKP funciona como si se superpusieran múltiples estados cuánticos perfectamente alineados, de forma que cualquier perturbación saca al sistema de ese patrón y puede ser detectada. Por eso, algunos investigadores lo llaman la “Piedra de Rosetta” de la computación cuántica: traduce los comportamientos complejos y ruidosos del mundo cuántico en señales ordenadas y reconocibles.
El papel del software y el control óptimo
Uno de los factores clave detrás de este avance ha sido el uso de herramientas de control cuántico desarrolladas por la empresa emergente Q-CTRL, una spin-off del propio laboratorio de investigación. El software permitió diseñar con precisión las secuencias de pulsos que implementan las puertas lógicas, minimizando la pérdida de fidelidad por factores externos.
Gracias a este control avanzado, las operaciones implementadas obtuvieron fidelidades medias de entre 0,94 y 0,96 para las puertas de un solo cúbit, y de 0,73 para la puerta de dos cúbits. Aunque esta última cifra es más baja, sigue siendo notable considerando la complejidad del proceso. Además, los modelos numéricos indican que con mejoras modestas en el hardware, estas fidelidades podrían aumentar significativamente.
El artículo indica que “estas operaciones alcanzan fidelidades de compuerta promedio cercanas a la unidad en ausencia de decoherencia”, lo que subraya que los principales límites actuales son técnicos, no conceptuales.
Fidelidad de las puertas lógicas de un solo cúbit GKP medidas en el experimento. Fuente: Nature PhysicsPreparación directa de un estado Bell
En un segundo experimento dentro del mismo estudio, el equipo logró preparar directamente un estado entrelazado Bell entre dos cúbits GKP, partiendo del vacío. Este resultado es importante porque evita la necesidad de crear primero los cúbits y luego entrelazarlos, lo que normalmente requiere más pasos y genera más errores.
El estado preparado fue |Φ+L⟩ = (|+ZL, +ZL⟩ + |−ZL, −ZL⟩)/√2, y se obtuvo mediante una secuencia de tres operaciones optimizadas aplicadas en 1,86 milisegundos. La fidelidad del estado final, medida mediante tomografía cuántica, fue de 0,83, lo que demuestra una alta coherencia del sistema durante el proceso.
Esta demostración sugiere que en el futuro podría ser posible generar directamente otros estados GKP complejos sin pasar por pasos intermedios costosos. En la práctica, esto se traduce en un ahorro de tiempo, energía y errores acumulados.
Fuente: ChatGPT / E. F.Una arquitectura adaptable y escalable
Uno de los aspectos más prometedores del estudio es su compatibilidad con plataformas de hardware ya existentes. El artículo menciona que los métodos utilizados podrían aplicarse a “cristales de Coulomb lineales, arreglos bidimensionales de iones, dispositivos cuánticos acoplados por carga y trampas de Penning en miniatura”.
Además, los investigadores proponen extender su enfoque a átomos neutros en pinzas ópticas y a arquitecturas distribuidas que se comuniquen mediante fotones. Esta flexibilidad es clave para escalar la computación cuántica sin depender de un único tipo de dispositivo.
También es relevante que estas técnicas podrían servir para otros códigos bosónicos más resistentes al ruido, como los códigos simétricos de rotación o los códigos de rejilla multimodo. En conjunto, estas perspectivas convierten este avance en una piedra angular para el desarrollo futuro de sistemas cuánticos robustos.
De la prueba de concepto al salto tecnológico
Aunque este experimento aún está lejos de construir un ordenador cuántico funcional con miles de cúbits, representa un paso claro hacia ese objetivo. Es la primera vez que se logra aplicar operaciones universales a cúbits GKP con alta fidelidad y sin necesidad de estructuras experimentales gigantescas.
El código GKP ya no es solo una teoría elegante: se ha demostrado que puede funcionar en la práctica, al menos en pequeña escala. Como reconoce el artículo, “nuestra demostración de un conjunto universal de puertas en cúbits GKP proporciona una base para permitir el procesamiento de información cuántica a gran escala con recursos bosónicos en dispositivos de iones atrapados”.
La computación cuántica está llena de promesas que aún no se han cumplido del todo. Pero experimentos como este nos recuerdan que detrás de cada promesa hay personas trabajando, línea a línea, pulso a pulso, para traducir lo ininteligible en una herramienta útil. Exactamente como hizo la verdadera Piedra de Rosetta.
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Referencias
Matsos, V. G., Valahu, C. H., Millican, M. J., Navickas, T., Kolesnikow, X. C., Biercuk, M. J., & Tan, T. R. (2025). Universal quantum gate set for Gottesman–Kitaev–Preskill logical qubits. Nature Physics. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8.
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