A simple vista, un chip cuántico puede parecer apenas una placa más de un ordenador avanzado. Pero bajo condiciones extremas de frío, cerca del cero absoluto, estos dispositivos son escenarios de una batalla invisible. Una pelea entre la promesa de una tecnología revolucionaria y las imperfecciones más diminutas que la sabotean. En esta lucha silenciosa, cada pequeño defecto del material puede arruinar una operación cuántica completa.
En un avance sin precedentes, un equipo de científicos del National Physical Laboratory (NPL) del Reino Unido, en colaboración con la Universidad de Chalmers y Royal Holloway, ha logrado lo que durante medio siglo pareció imposible: visualizar individualmente los defectos responsables de la pérdida de coherencia en circuitos cuánticos superconductores. El hallazgo, publicado en la revista Science Advances, abre una nueva puerta hacia ordenadores cuánticos más estables y confiables.
El obstáculo más escurridizo de la computación cuántica
Una de las grandes promesas de la computación cuántica es su capacidad para resolver problemas imposibles para los ordenadores clásicos. Pero el obstáculo más importante para su desarrollo práctico sigue siendo la decoherencia, un fenómeno en el que la información cuántica se disipa y se pierde.
Este problema se agrava en circuitos cuánticos superconductores, una de las tecnologías más usadas por gigantes como Google o IBM. En este tipo de plataformas, la principal fuente de decoherencia son unos diminutos defectos estructurales llamados defectos de sistema de dos niveles (TLS, por sus siglas en inglés).
Aunque se conocen desde hace más de 50 años, nunca se había conseguido observar un TLS de forma individual en un circuito cuántico en funcionamiento. Hasta ahora, toda la información se obtenía por métodos indirectos, sin saber realmente dónde estaban ni cómo se comportaban con precisión.
Un microscopio especial a temperaturas extremas
Para superar esa barrera, el equipo del NPL diseñó un sistema experimental que integra técnicas avanzadas de microscopía con la capacidad de medir circuitos cuánticos en tiempo real. El dispositivo funciona en una cámara aislada, sin luz y a una temperatura de apenas 45 milikelvin, es decir, a unas milésimas de grado por encima del cero absoluto.
Con esta herramienta, los investigadores aplicaron una técnica conocida como microscopía de compuerta de barrido(scanning gate microscopy o SGM), que les permitió generar imágenes de cómo los TLS responden a campos eléctricos aplicados de manera local con una punta metálica muy fina. Cuando un defecto se pone en resonancia con el circuito, aparece en la imagen como un anillo brillante. Ese anillo indica el lugar exacto donde se encuentra el TLS.
“Aquí, al realizar microscopía de compuerta de barrido sobre un resonador superconductor de NbN en temperaturas de milikelvin, localizamos TLS individuales, revelando directamente su naturaleza microscópica”, explican los autores en el artículo original.
Ver lo invisible: así se detectan los TLS
Una de las claves del experimento fue mantener el equilibrio entre resolución y estabilidad. La punta del microscopio se colocaba a distancias de entre 5 y 20 micrómetros sobre la muestra. A esa escala, el más mínimo movimiento puede arruinar la imagen, así que se usaron sistemas de suspensión y aislamiento contra vibraciones.
A través de escaneos precisos y cambios en el voltaje de la punta, los investigadores pudieron observar cómo los anillos que señalan a cada TLS cambiaban de tamaño. Esto les permitió deducir no solo la ubicación exacta del defecto, sino también cómo está orientado su momento dipolar eléctrico, es decir, la dirección en la que interactúa con los campos del circuito.
En palabras del estudio: “Mapear y visualizar los TLS más perjudiciales en el baño permite identificar las fuentes dominantes del ruido dieléctrico 1/f y la relajación de energía”. El ruido 1/f es una fuente de inestabilidad frecuente en sistemas cuánticos y su conexión con estos defectos no había podido probarse con este nivel de precisión hasta ahora.
Comprender la orientación de los defectos
Un aspecto especialmente innovador del estudio fue que los investigadores pudieron deducir la orientación tridimensional del momento dipolar de cada TLS. Esto se logró comparando imágenes obtenidas a diferentes alturas de la punta del microscopio. Cuando se acercaban a la superficie, los anillos redondos se convertían en elipses, revelando detalles sobre la inclinación del defecto.
Al aplicar modelos simulados y ajustar los parámetros observados, el equipo pudo estimar con buena precisión los ángulos de orientación de varios TLS. Estos datos son fundamentales para entender cómo se generan y cómo podrían eliminarse en futuras generaciones de circuitos.
Además, el estudio sugiere que la mayoría de los TLS observados se encuentran en el sustrato dieléctrico, dentro de los espacios entre los electrodos del resonador. Esta información resulta clave para orientar los esfuerzos de fabricación hacia materiales y procesos que eviten o minimicen la formación de estos defectos.
Lo que este avance permite a partir de ahora
Los autores destacan que este nuevo enfoque podría aplicarse en muchos otros dispositivos cuánticos, no solo resonadores. El método es flexible y permite observar defectos con alta resolución espacial, incluso cuando se encuentran activos dentro de un circuito funcionando. Este detalle es crucial porque permite estudiar su comportamiento real, no solo su estructura.
También abre la puerta a utilizar otras técnicas complementarias de análisis químico y estructural sobre los mismos puntos donde se detectan los TLS, lo que podría llevar en el futuro a identificar su composición exacta y eliminar su presencia desde la fabricación.
En palabras del artículo: “Al combinar esta información con la estructura del material subyacente, se puede ayudar a desentrañar la naturaleza microscópica y el origen químico detallado de los TLS, dirigiendo estrategias para su eventual mitigación”.
Referencias
- Marius Hegedüs, Riju Banerjee, Andrew Hutcheson, Tomas Barker, Sumedh Mahashabde, Andrey V. Danilov, Sergey E. Kubatkin, Vladimir Antonov, Sebastian E. de Graaf. In situ scanning gate imaging of individual quantum two-level system defects in live superconducting circuits. Science Advances, vol. 11, eadt8586 (2025). https://doi.org/10.1126/sciadv.adt8586.
Cortesía de Muy Interesante
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