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Implementation of a quantum addressable router using superconducting qubits

Este artículo demuestra la implementación de un enrutador cuántico direccionable (Q2-router) utilizando cúbits transmones de frecuencia fija y puertas iSWAP controladas, logrando una fidelidad de enrutamiento promedio del 95.3% mediante un protocolo que aprovecha las interacciones ZZ de gran magnitud para el enrutamiento selectivo de información basado en direcciones cuánticas.

Autores originales: Connie Miao, Sébastien Léger, Ziqian Li, Gideon Lee, Liang Jiang, David I. Schuster

Publicado 2026-09-03

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CC BY 4.0

Autores originales: Connie Miao, Sébastien Léger, Ziqian Li, Gideon Lee, Liang Jiang, David I. Schuster

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En el mundo de la informática moderna, mover información de un lugar a otro es una tarea fundamental. Durante décadas, los ingenieros han construido sistemas sofisticados para dirigir paquetes de datos a través de las redes, asegurando que un mensaje enviado desde una computadora llegue al destino correcto sin perderse. Este proceso, conocido como enrutamiento, se basa en una distinción clara entre el mensaje en sí y la dirección que le indica hacia dónde ir. En el mundo clásico, estas dos cosas son separadas: los datos son el contenido y la dirección es una etiqueta fija escrita en un lenguaje que el enrutador comprende. Sin embargo, el campo emergente de la computación cuántica introduce una restricción profunda: los estados cuánticos, que contienen la información en estas nuevas máquinas, no pueden ser copiados. Esta regla, conocida como el teorema de no clonación, significa que la delicada información dentro de un sistema cuántico no puede duplicarse y enviarse por múltiples caminos simultáneamente. En consecuencia, los métodos antiguos de enrutamiento no funcionan. Para construir una futura internet cuántica o una memoria cuántica que pueda acceder a los datos instantáneamente, los científicos necesitan un nuevo tipo de enrutador. Este dispositivo debe ser capaz de leer una dirección cuántica —una dirección que existe en un estado de incertidumbre, donde el camino aún no ha sido decidido— y guiar la señal cuántica en consecuencia, todo ello sin destruir la frágil información que transporta.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford y la Universidad de Chicago ha construido y probado con éxito tal dispositivo, un enrutador cuántico que puede manejar tanto la señal como la dirección de una manera totalmente mecánica cuántica. Lo llaman un enrutador Q2. Para entender lo que han logrado, imagine una intersección de tráfico donde la propia luz de tráfico no es un color rojo o verde fijo, sino una superposición de ambos colores. En una intersección estándar, la luz dicta el flujo. En esta versión cuántica, la "luz" es un bit cuántico, o qubit, que puede estar en un estado de ser tanto rojo como verde al mismo tiempo. El trabajo del enrutador es permitir que el coche pase a través de la luz roja y la luz verde simultáneamente, enviando el coche por ambos caminos a la vez, pero de una manera que mantenga intacta la identidad del coche. Los investigadores construyeron este enrutador utilizando un pequeño chip que contiene cuatro circuitos superconductores, que actúan como átomos artificiales. Estos circuitos se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto para minimizar la interferencia. El chip incluye un qubit de entrada, donde la información entra, dos qubits de salida, donde la información puede salir, y un qubit de conmutación (switch), que actúa como la dirección cuántica.

El núcleo del experimento se basa en una interacción específica entre estos circuitos. Los investigadores diseñaron el chip para que el qubit de entrada y el qubit de conmutación tengan una conexión fuerte e inherente que cambia su comportamiento dependiendo del estado del interruptor. Cuando el interruptor está en un estado, permite que la información fluya hacia la primera salida; cuando está en otro estado, dirige la información hacia la segunda salida. La brillantez de su diseño es que, si el interruptor está en una superposición de ambos estados, el enrutador dirige naturalmente la información hacia una superposición de ambas salidas. Esto sucede sin la necesidad de instrucciones externas o cambios complejos en el cableado durante el proceso. El dispositivo utiliza un tipo específico de puerta, un intercambio controlado (controlled swap), que actúa como un torniquete que solo se abre si el interruptor está en la posición correcta. Al encadenar dos de estos torniquetes, crearon un protocolo de enrutamiento completo. El equipo calibró cuidadosamente los pulsos de energía de microondas utilizados para activar estas puertas, asegurando que la información se mueva rápida y precisamente antes de que tenga la oportunidad de degradarse.

Los resultados del experimento se midieron con alta precisión. Los investigadores descubrieron que el enrutador dirigió con éxito la información cuántica al destino correcto aproximadamente el 95,3% de las veces en promedio. Este nivel de precisión es un hito significativo, ya que demuestra que el dispositivo funciona de manera determinista, lo que significa que produce el resultado correcto cada vez que se ejecuta, en lugar de depender del azar. El equipo analizó los errores que impidieron la precisión perfecta y encontró que fueron causados principalmente por la degradación natural de los estados cuánticos con el tiempo y pequeñas imperfecciones en cómo se prepararon o midieron los estados. Confirmaron que el dispositivo no estaba fallando debido a un error en la lógica del enrutamiento en sí. Al probar el enrutador con diversas combinaciones de entradas y direcciones tanto clásicas como cuánticas, demostraron que podía manejar la forma más general de enrutamiento, donde tanto el mensaje como la dirección son cuánticos. Esta capacidad es esencial para construir la memoria de acceso aleatorio cuántico, una tecnología que permitiría a las computadoras cuánticas recuperar datos de un gran banco de memoria tan rápido como puedan procesarlos, una característica que podría acelerar algoritos complejos de búsqueda y simulación.

Los investigadores también exploraron los límites de su dispositivo e identificaron caminos claros para la mejora. Señalaron que la velocidad del enrutamiento está actualmente limitada por la fuerza con la que interactúan los qubits, y que hacer que estas interacciones sean más fuertes o mejorar la vida útil de los qubits podría aumentar aún más el rendimiento. También sugirieron que añadir un método para detectar y descartar intentos fallidos, conocido como un esquema de borrado (erasure scheme), podría aumentar significativamente la fiabilidad del sistema. Si bien el dispositivo actual es una prueba de concepto, su éxito sugiere que tales enrutadores pueden servir como los bloques de construcción para redes cuánticas más grandes. La capacidad de enrutar información cuántica basada en una dirección cuántica es un paso crítico hacia la realización de una internet cuántica funcional, donde la información pueda ser transmitida y procesada a través de vastas distancias con la misma flexibilidad y potencia que define a la internet clásica hoy en día. Este trabajo mueve el campo de las propuestas teóricas a un componente tangible y funcional, acercando la visión de una red cuántica un paso más a la realidad.

Resumen Técnico: Implementación de un enrutador direccionable cuánticamente mediante cúbits superconductores

Planteamiento del problema
El enrutamiento de información es fundamental para la computación clásica, pero presenta desafíos únicos en los sistemas cuánticos debido al teorema de no clonación, que impide la duplicación de estados cuánticos. Si bien se ha demostrado el enrutamiento clásico de estados cuánticos, este típicamente requiere una codificación externa de la dirección de enrutamiento (por ejemplo, mediante secuencias de pulsos específicas o modificaciones de hardware), careciendo de un mecanismo de direccionamiento interno. Un enrutador Q2 plenamente funcional, capaz de manejar tanto los datos como la dirección de enrutamiento como variables mecánicas cuánticas (un enrutador Q2), es un componente crítico para la construcción de redes cuánticas y de Memoria de Acceso Aleatorio Cuántico (QRAM). Los intentos previos, como las implementaciones fotónicas, han dependido de la postselección no determinista, lo que dificulta su aplicabilidad. No se ha demostrado aún un Q2-enrutador totalmente determinista.

Metodología
Los autores implementan un Q2-enrutador utilizando una arquitectura de circuitos superconductores que comprende cuatro cúbits transmon de frecuencia fija: un cúbit de entrada, un cúbit de conmutación (enrutamiento) y dos cúbits de salida. El dispositivo cuenta con acoplamientos capacitivos fijos, con acoplamientos particularmente fuertes entre la entrada y el conmutador ( $g/2\text{pi} \sim 50$ MHz) y entre la entrada y las salidas.

El protocolo de enrutamiento se basa en dos puertas controladas iSWAP (c-iSWAP) nativas. El mecanismo opera de la siguiente manera:

Mecanismo de puerta: Las puertas c-iSWAP se realizan mediante el accionamiento de la transición $|eg\rangle \to |gf\rangle$ entre el cúbit de entrada y un cúbit de salida objetivo utilizando pulsos de banda lateral. Esta transición se elige por su velocidad y simplicidad como un proceso de un solo fotón.
Lógica de control: La selectividad se logra aprovechando una interacción ZZ estática y fuerte ( $\zeta_{SI}/2\pi = 5.4$ MHz) entre los cúbits de entrada y de conmutación. Esta interacción desplaza las frecuencias de transición del cúbit de entrada dependiendo del estado del conmutador. En consecuencia, el pulso de banda lateral es resonante con la transición entrada-salida solo cuando el conmutador está en un estado específico (por ejemplo, $|g\rangle$ para la Salida 1, o $|e\rangle$ para la Salida 2), bloqueando efectivamente el intercambio cuando el conmutador está en el estado opuesto.
Ejecución del protocolo: El enrutador realiza una operación unitaria $U_{route}$ que intercambia el estado del cúbit de entrada con la Salida 1 si el conmutador está en $|g\rangle$ , o con la Salida 2 si el el conmutador está en $|e\rangle$ . Si el conmutador está en una superposición, el estado de entrada se enruta hacia una superposición de las salidas. El protocolo asume un subespacio restringido donde se comparte como máximo una excitación entre la entrada y las salidas.

Contribuciones clave y caracterización
El artículo proporciona una calibración y caracterización exhaustiva tanto de las puertas individuales como del protocolo de enrutamiento completo:

Calibración de puertas: Las puertas c-iSWAP fueron calibradas utilizando oscilaciones de Rabi y técnicas de amplificación de error. La calibración tiene en cuenta los desplazamientos AC-Stark y optimiza los parámetros del pulso (amplitud, frecuencia, duración) para maximizar la fidelidad del intercambio minimizando la fuga al estado de bloqueo.
Evaluación comparativa (Benchmarking):
- Puertas individuales: Los autores emplearon el benchmarking aleatorio intercalado (RB) en un subespacio de doble riel lógico ( $|Seg\rangle - |Sgf\rangle$ ) para cuantificar los errores. Distinguieron entre pérdida de fotones (fuga fuera del subespacio) y errores lógicos.
- Protocolo completo: La fidelidad de enrutamiento global se evaluó mediante la tomografía de estado de tres cúbits en los cúbits de conmutación y de salida. Además, se utilizó una técnica de amplificación de error, aplicando protocolos de enrutamiento directo e inverso alternos para aislar los errores de la puerta de los errores de preparación y medición del estado (SPAM).

Resultados

Fidelidades de las puertas: Las fidelidades estimadas para las dos puertas c-iSWAP dentro del subespacio válido son $97.77 \pm 0.13\%$ y $98.62 \pm 0.02\%$ . Las principales fuentes de error identificadas son la pérdida de fotones y la decoherencia.
Fidelidad de enrutamiento: La fidelidad de enrutamiento promedio para el protocolo completo a través de 16 configuraciones cardinales de entrada/conmutador se estima en 95.3%.
Análisis de errores:
- Aproximadamente el 1.7% del error se atribuye a SPAM.
- El error restante es consistente con los límites de decoherencia estimados mediante simulaciones de ecuación maestra utilizando los tiempos de coherencia medidos de los cúbits ( $T_1$ y $T_2$ ).
- Los resultados de la amplificación de error indican que el protocolo probablemente está limitado por la decoherencia, con tasas de error que varían según la configuración (por ejemplo, enrutamiento clásico/cuántico y de entrada). La configuración Cuántico-Cuántico (QrQi) mostró la mayor sensibilidad al error debido al desfase que afecta a todos los cúbits.
Contraste de conmutación: Las mediciones de amplificación de error confirmaron una alta relación encendido-apagado, con una transferencia no deseada en el estado de bloqueo medida en aproximadamente 0.3% por puerta para la Salida 1 y 0.1% para la Salida 2.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman haber realizado el primer Q2-enrutador totalmente determinista utilizando circuitos superconductores. Este dispositivo enruta con éxito señales cuánticas basándose en una dirección cuántica sin necesidad de postselección no determinista. La implementación utiliza una sobrecarga mínima (cúbits de frecuencia fija) y demuestra una alta fidelidad, lo que lo convierte en un bloque de construcción viable para futuras redes cuánticas y arquitecturas de QRAM.

El artículo concluye que, si bien la fidelidad actual está limitada por la decoherencia y el SPAM, la arquitectura es robusta. Las mejoras futuras podrían lograrse aumentando la interacción ZZ para acelerar las puertas, mejorando la vida útil de los cúbits o implementando esquemas de borrado para detectar y descartar ejecuciones donde ocurre la pérdida de fotones. Los autores sugieren que, con una mayor optimización, este enrutador podría servir como un componente fundacional para una QRAM de múltiples capas o para una prueba de concepto de redes cuánticas.

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