Dynamically protected erasure qubit via low-frequency charge driving

En la carrera por construir una computadora cuántica práctica, los científicos se enfrentan a una persistente paradoja. Para realizar cálculos, deben controlar con extrema precisión los delicados bits cuánticos, o qubits. Sin embargo, el propio acto de controlarlos suele introducir el ruido que destruye la información que contienen. Este ruido proviene a menudo del entorno en forma de fluctuaciones eléctricas de baja frecuencia, un zumbido de fondo que es casi imposible de eliminar en materiales de estado sólido. Durante años, los investigadores han intentado blindar sus qubits contra esta interferencia, a menudo diseñándolos para que sean menos sensibles a la carga. Sin embargo, este enfoque suele tener un coste: hace que los qubits sean más lentos de controlar o más difíciles de conectar entre sí. El desafío ha sido encontrar una forma de proteger la información cuántica de este ruido de baja frecuencia sin sacrificar la velocidad y la conectividad necesarias para la computación compleja.

Un equipo de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, y de instituciones colaboradoras, ha encontrado una solución ingeniosa cambiando la forma en que accionan el sistema. En lugar de intentar bloquear el ruido o hacer que los qubits sean completamente inmunes, utilizaron un accionamiento eléctrico fuerte y rápido para bloquear eficazmente los qubits en su lugar, una técnica conocida como bloqueo de espín (spin-locking). Demostraron esto utilizando un tipo específico de circuito superconductor llamado oscilador de Kerr, que actúa como un bit cuántico. Al aplicar un accionamiento de carga a una frecuencia justo por debajo de un gigahertz, descubrieron una propiedad única: el circuito se vuelve casi ciego al ruido lento de baja frecuencia que suele causar errores, mientras permanece altamente sensible a las señales de accionamiento rápidas necesarias para las operaciones. Este enfoque les permitió reiniciar sus bits cuánticos en solo 82 nanosegundos, enfriándolos a un estado con menos del 0,7 por ciento de la energía no deseada que suele persistir en estos sistemas. Además, al codificar un único bit lógico a través de dos de estos osciladores, crearon un qubit de doble vía (dual-rail) que está naturalmente sesgado hacia un tipo específico de error. Esto significa que, cuando ocurre un error, es mucho más probable que sea una erradicación (erasure) detectable en lugar de una corrupción silenciosa de los datos, una distinción que hace que la corrección de errores sea significativamente más fácil.

El núcleo de este avance reside en cómo la frecuencia de la señal de accionamiento interactúa con el circuito. Los investigadores descubrieron que la sensibilidad de su oscilador cuántico al ruido de carga no permanece constante; en cambio, crece rápidamente a medida que aumenta la frecuencia del accionamiento. Específicamente, la sensibilidad escala con el cuadrado tanto de la frecuencia como de la fuerza del accionamiento. Esta relación es crucial porque el ruido dañino en su entorno sigue un patrón donde las frecuencias bajas son mucho más fuertes que las altas. Al accionar el sistema a una frecuencia cercana a un gigahertz, los investigadores empujaron el sistema hacia un régimen en el que está fuertemente acoplado a sus señales de control pero permanece notablemente insensible al ruido de baja frecuencia que suele afectar a estos dispositivos. Verificaron esto midiendo cómo cambiaban los niveles de energía del oscilador bajo diferentes condiciones de accionamiento, observando que el cambio aumentaba cuadráticamente con los parámetros del accionamiento. Esto confirmó que el sistema estaba filtrando eficazmente las fluctuaciones lentas y disruptivas mientras permanecía abierto a los comandos rápidos y útiles.

Para demostrar que este concepto funciona en la práctica, el equipo se centró primero en la tarea fundamental de reiniciar el bit cuántico. En la computación cuántica, comenzar con una hoja limpia es esencial, pero la energía térmica a menudo deja al sistema en un estado mixto. Utilizando el accionamiento de carga de baja frecuencia, pudieron intercambiar rápidamente la energía de su bit cuántico hacia un resonador con pérdidas, descargando eficazmente el calor. Este proceso tomó solo 82 nanosegundos y redujo la población de estados excitados a menos del 0,7 por ciento. Este resultado fue significativo porque fue inferior al equilibrio térmico natural del sistema, que se situaba en el 2,5 por ciento. La velocidad y eficiencia de este reinicio demostraron que el accionamiento podía manipular el sistema con alta fidelidad sin introducir los errores excesivos que suelen acompañar a tales operaciones rápidas.

Partiendo de esto, los investigadores codificaron un qubit lógico utilizando dos de estos osciladores, creando lo que se conoce como un qubit de doble vía. En esta configuración, la información se almacena en la presencia de un único fotón compartido entre los dos circuitos. Si uno de los circuitos pierde su fotón, el sistema cae en un estado fundamental que es fácilmente detectable, en lugar de desordenar la información en un estado desconocido. Esta propiedad, llamada sesgo de erradicación (erasure bias), es muy deseable porque convierte un error difícil de detectar en un fallo conocido que puede descartarse o corregirse. El equipo mostró que su esquema de protección dinámica mejoró este sesgo en un factor de cuatro. Cuando realizaron secuencias aleatorias de operaciones lógicas, conocidas como puertas de Clifford, la tasa de error por puerta se midió en 5,6 × 10⁻⁴. Después de filtrar las ejecuciones donde se detectó una erradicación, la tasa de error cayó aún más a 1,5 × 10⁻⁴. Estos números se lograron con tiempos de puerta de solo 25 nanosegundos, lo que indica que el mecanismo de protección no ralentiza la computación.

El éxito de este experimento sugiere que el compromiso entre la protección contra el ruido y la velocidad operativa puede superarse explotando la dependencia de la frecuencia de la respuesta del sistema. Los investigadores señalaron que, si bien la tasa de error bruta está actualmente limitada por la vida útil natural de los osciladores, el potencial de mejora es sustancial. Señalaron que la configuración actual utiliza solo una comprobación al final de una secuencia para detectar erradicaciones. Al añadir un tercer oscilador para actuar como un ancilla para comprobaciones a mitad del circuito, esperan que las tasas de error disminuyan aún más, resolviendo potencialmente eventos donde el sistema decae y luego se calienta de nuevo. Este trabajo proporciona un camino claro para utilizar accionamientos de carga sub-gigahertz para proteger la información cuántica, ofreciendo un método robusto para construir procesadores cuánticos de alta fidelidad que puedan operar eficazmente en el ruidoso entorno de un chip de estado sólido. Los hallazgos confirman que la protección dinámica no es solo una posibilidad teórica, sino una herramienta práctica que puede integrarse en las arquitecturas superconductoras existentes para mejorar su rendimiento y fiabilidad.