Caltech escala cúbits de átomos neutros a 6,100 con pinzas

Han pasado aproximadamente cuatro décadas desde que se inventaron las pinzas ópticas. fueron desarrollados, y continúan revolucionando la física, la biología y la medicina hasta el día de hoy.

Las pinzas ópticas son una herramienta extraordinaria que puede recoger y mover objetos microscópicos, como células, átomos, moléculas y gotas, sin tocarlos. 

Estas herramientas utilizan láseres enfocados para manipular objetos. Mediante el uso de un haz de luz altamente enfocado, Son capaces de mantener partículas microscópicas y submicroscópicas estables en tres dimensiones.

Un microscopio de alta calidad enfoca el haz en un punto, creando una "trampa óptica" que retiene una partícula. Esta partícula experimenta fuerzas de dispersión de la luz y fuerzas de gradiente debido a su interacción con la luz.

Desarrollado por el físico estadounidense Arthur Ashkin en 1986, que recibió un Premio Nobel de Física por En 2018, las pinzas ópticas permiten a los científicos estudiar bacterias individuales, un espermatozoide, cadenas de ADN, la interacción de partículas individuales con la luz y mucho más.

Hoy en día, estos instrumentos científicos forman la base de muchos experimentos líderes en simulación y computación cuántica. 

Por ejemplo, científicos del Departamento de Física Experimental y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) han descubierto recientemente átomos individuales de erbio atrapados¹ en matrices de pinzas ópticas por primera vez, ampliando el uso de estas herramientas más allá de sistemas simples a experimentos cuánticos más complejos.

Este tipo de experimentos, que atrapan decenas a cientos de qubits atómicos, han logrado recientemente conjuntos de alrededor de mil átomos.

Escalando esto a miles de qubits atómicos con baja pérdida, largos tiempos de coherencia e imágenes de alta fidelidad, lo cual es fundamental para avanzar en la corrección de errores cuánticos, sin embargo, ha sido gran reto.
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Sin embargo, esto ahora ha sido demostrado experimentalmente por investigadores de Caltech. Han atrapado con éxito 6,100 átomos neutros en aproximadamente 12,000 sitios utilizando una serie de pinzas ópticas. Al mismo tiempo, superaron el “rendimiento de vanguardia en varias métricas que sustentan el éxito de la plataforma”, señaló el equipo.

Los investigadores demostraron un tiempo de coherencia de 12.6(1) segundos, lo que supone un récord para qubits hiperfinos en una matriz de pinzas ópticas. Perdurable por alrededor En 23 minutos lograron una supervivencia de imagen récord del 99.98952(1)% con una fidelidad de imagen de más del 99.99%. 

Según el equipo, estos resultados sugieren que la computación cuántica universal podría pronto convertirse en una realidad. 

Por qué la corrección de errores domina la hoja de ruta de la computación cuántica

La computación cuántica ha captado el interés de los investigadores y empresas de todo el mundo. 

Según los analistas de BofA, se espera que el mercado de la computación cuántica alcance una valoración de aproximadamente 4 mil millones de dólares a principios de la próxima década. 

La "promesa de la computación cuántica es real", dijeron los analistas en una nota a los clientes, y agregaron que aún existen varios obstáculos para el crecimiento de la tecnología y que una vez que estos son superados“Esperamos una inflexión mucho más significativa en los ingresos”.

Los partidarios de la computación cuántica destacan su potencial para transformar las finanzas, la atención médica, la logística, la ciberseguridad, la ciencia de los materiales y la inteligencia artificial. 

Esta misma semana, HSBC Holdings anunció un avance pionero a nivel mundial en el uso de la computación cuántica en los mercados financieros. El banco, con sede en Londres, empleó el procesador cuántico Heron de IBM en la negociación de bonos, lo que mejoró en un 34 % la predicción de la probabilidad de que un bono se negocie a un precio determinado. 

Procesamiento cuántico se aplicó a un conjunto anónimo de datos de negociación de bonos europeos, donde se mostró la habilidad para mejorar significativamente la eficiencia del mercado.

Sin embargo, las aplicaciones prácticas de la tecnología cuántica en otros sectores aún no se han establecido firmemente, y los críticos argumentan que la revolución de la computadora cuántica no sólo está lejos, sino que también es limitada.

Por ejemplo, a finales del año pasado, Google lanzó un nuevo chip llamado Willow. que it dijo marca un gran avance en el campo de la computación cuántica, but señaló que el punto de referencia utilizado para medir su desempeño es “No se conocen aplicaciones en el mundo real.²" 

Aun así, McKinsey estima que el valor del mercado de la tecnología cuántica puede alcanzar los 100 mil millones de dólares en una década.

Estos números se basan En la anticipación de que Ciertos problemas no pueden ser resueltos por computadoras clásicas pero pueden ser manejados fácilmente por computadoras cuánticas, ayudándonos a entender y manipular otros sistemas cuánticos. 

Sin embargo, actualmente la computación cuántica enfrenta desafíos importantes en términos de decoherencia, lo que hace que los qubits sean frágiles y propensos a errores. Esta, a su vez, hace el costoso La tolerancia a fallos es fundamental para una computación cuántica confiable.

Qubits o bits cuánticos Son equivalentes a los bits en las computadoras clásicas. Pero mientras que los bits clásicos siempre son uno o cero, los bits cuánticos pueden ser ambos a la vez hasta que se mide su estado, y los estados de múltiples cúbits también pueden entrelazarse. 

Estos dos fenómenos, la superposición (la capacidad de un qubit de existir en múltiples estados simultáneamente) y el entrelazamiento (la capacidad de los qubits de estar vinculados y compartir el mismo estado independientemente de la distancia), otorgan a las computadoras cuánticas capacidades que las computadoras clásicas no tienen.

Sin embargo, ambos son estados realmente frágiles que pueden destruirse fácilmente con la más mínima interacción con el medio ambiente.

Desde interferencias electromagnéticas hasta cambios de temperatura, los factores ambientales pueden colapsar esas propiedades, dando lugar a resultados inexactos. SoEsta fragilidad es uno de los mayores obstáculos para la computación cuántica escalable y potente., Y por lo tanto montón de investigación en el campo esta enfocado sobre la corrección de errores cuánticos (QEC).

Mil De las formas Los investigadores están compensando la fragilidad de los qubits y corrigiendo errores construyendo computadoras cuánticas con qubits adicionales y redundantes. Esta significa que una computadora cuántica robusta tendrá cientos de miles de qubits.

La matriz de átomos neutros de Caltech, que bate récords, equilibra cantidad y calidad

Trabajando hacia construyendo una computadora cuántica Con muchos qubits para corregir cualquier error, un equipo de investigadores de Caltech ha establecido un récord al crear la matriz de qubits más grande jamás vista. sido ensamblado.

Un total de 6,100 qubits de átomos neutros han sido confinados en una red mediante láseres. Anteriormente, esto tipo de matriz único contenía cientos de qubits.

Publicado en Nature, el estudio titulado “Una matriz de pinzas con 6100 qubits atómicos altamente coherentes³” detalla el hito, que utilizó átomos neutros. 

Los átomos neutros son átomos sin carga eléctrica neta. Por lo tanto, el número de protones es igual al de electrones. 

Al explotar sus niveles de energía internos, los investigadores pueden usar átomos neutros como cúbits. Los niveles de energía pueden ser controlado y manipulados mediante láseres y campos magnéticos para realizar operaciones específicas.

Al ser neutros, los átomos no interactúan fuertemente entre sí, lo que permite atrapar grandes conjuntos de átomos y posibilita la construcción de procesadores cuánticos a gran escala. Además, los átomos neutros presentan largos tiempos de coherencia, otro factor que los hace beneficiosos para la computación cuántica.

Pero, por supuesto.Existen desafíos en términos de la necesidad de un control preciso sobre la captura, el enfriamiento y la manipulación.

Este es un momento emocionante para la computación cuántica de átomos neutros. Ahora vislumbramos un camino hacia grandes computadoras cuánticas con corrección de errores. Los cimientos están en su lugar.

– Investigador principal de la investigación, Manuel Endres & un profesor de física en Caltech

Dirigido por los estudiantes de posgrado de Caltech Hannah Manetsch, Gyohei Nomura y Elie Bataille, el estudio utilizó pinzas ópticas para atrapar miles de átomos individuales de cesio (Cs) en una cuadrícula. 

Para construir la matriz de átomos, dividieron un rayo láser en 12,000 pinzas, que contenían un total de 6,100 átomos en una cámara de vacío. «En la pantalla, podemos ver cada cúbit como un punto de luz», afirmó Manetsch. «Es una imagen impactante del hardware cuántico a gran escala».

Si bien el equipo logró alcanzar un nuevo récord en escala, esta cantidad no fue a costa de la calidad, ya que incluso lograron largos tiempos de coherencia.

El equipo logró mantener estos cúbits en superposición durante unos 13 segundos, unas diez veces más tiempo que el que se había logrado con matrices similares anteriormente. Además, lograron manipular cúbits individuales con una precisión... tan alto como 99.98%.

Según Nomura:

A menudo se piensa que la gran escala, con más átomos, se consigue a costa de la precisión, pero nuestros resultados demuestran que podemos lograr ambas cosas. Los cúbits no son útiles sin calidad. Ahora tenemos cantidad y calidad.

Además, el equipo demostró que pueden mover los átomos cientos de micrómetros (μm) a lo largo de la matriz manteniendo la superposición. Es como mantener en equilibrio un vaso de agua mientras se corre.

“Intentar sostener un átomo mientras se mueve es como intentar no dejar que el vaso de agua se vuelque terminado. Intentando para mantener también el átomo en un estado de superposición es como tener cuidado No correr tan rápido que el agua salpique.."

– Manetsch

Esta capacidad es una característica clave de las computadoras cuánticas de átomos neutros, ya que permite una corrección de errores más eficiente en comparación con los qubits superconductores.

La investigación muestra que los átomos neutros son un fuerte candidato para ayudarnos a implementar la corrección de errores cuánticos a escala de miles de qubits físicos, lo cual es El próximo gran logro para el campo

Las computadoras cuánticas tendrán que codificar la información de forma que sea tolerante a errores, para que podamos realizar cálculos de valor. A diferencia de las computadoras clásicas, los cúbits no pueden simplemente... ser copiado “Debido al llamado teorema de no clonación, la corrección de errores debe basarse en estrategias más sutiles”.

– Bataille

Conseguido el estado de superposición, que juega un papel crucial en el procesamiento y almacenamiento de información, el equipo trabajará ahora en el entrelazamiento, para lo cual conectarán los qubits en su matriz, permitiendo que las partículas se comporten como una sola. 

Al alcanzar el estado de entrelazamiento, las computadoras cuánticas podrán realizar cálculos cuánticos completos y simularlos. Al aprovechar el entrelazamiento, los investigadores también podrán realizar nuevos descubrimientos científicos.

“Es emocionante que estemos creando máquinas que nos ayuden a aprender sobre el universo de maneras que sólo la mecánica cuántica puede enseñarnos”.

– Manetsch

Nuevas arquitecturas de supresión de errores y resultados de hiperentrelazamiento

Endres y su equipo llevan mucho tiempo trabajando en la computación cuántica. Se especializa en controlar átomos individuales utilizando pinzas ópticas. en orden Estudiar las propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos. 

Además del sistema cuántico que rompe récords CONTROL Con más de 6,000 átomos individuales, los experimentos de su equipo han conducido a nuevas técnicas para borrar errores en las máquinas cuánticas y a un nuevo dispositivo que puede proporcionar Los relojes más precisos del mundo.

En mayo de este año, ellos publicó un estudio⁴ que aborda las problema del movimiento oscilante de los átomos, lo que hace que difícil para controlar el sistema. lo que han hecho es ellos han usado El problema mismo de codificar la información cuántica.

“Mostramos que el movimiento atómico, que es típicamente tratados como fuente de ruido no deseado en “Los sistemas cuánticos pueden convertirse en una fortaleza”.

El coautor principal del estudio, Adam Shaw

Su experimento codificó información cuántica en el movimiento de los átomos. y dirigido a un estado de hiperenredo.

Esto significa que los estados electrónicos individuales y los estados de movimiento de los pares de átomos hiperentrelazados estaban correlacionados. Su demostración, la primera del hiperentrelazamiento en partículas masivas como átomos neutros o iones, implica además que podrían entrelazarse simultáneamente aún más características.

«Esto nos permite codificar más información cuántica por átomo», dijo Endres. «Se consigue más entrelazamiento con menos recursos».

Para sus experimentos, enfriaron un conjunto de átomos neutros alcalinotérreos individuales atrapados dentro de pinzas ópticas, demostrando una nueva forma de enfriamiento a través de la “detección y posterior corrección activa de excitaciones movibles térmicas”.

el equipo es esencialmente medir el movimiento de cada átomo y luego, dependiendo del resultado, aplicar una operación átomo por átomo.

La técnica provocó que los átomos se detuvieran casi por completo. Luego se indujeron los átomos. Oscilar con una amplitud de 100 nanómetros, lo que los excitó en dos oscilaciones distintas. al mismo tiempo, haciendo que el movimiento sea en las estado de superposición. 

Los átomos individuales luego se enredaron con átomos asociados, que se hiperenredaron aún más para correlacionar el átomos movimiento y estados electrónicos.

Básicamente, el objetivo era ampliar los límites de nuestro control sobre estos átomos. En esencia, estamos construyendo una caja de herramientas: sabíamos cómo controlar los electrones dentro de un átomo y ahora aprendimos a controlar el movimiento externo del átomo en su conjunto. Es como un juguete atómico que dominas por completo.

– Endres

En otro estudio de Caltech, un equipo de científicos con sede en el Centro de Computación Cuántica de Caltech en el campus de la universidad Demostró una nueva arquitectura de chip cuántico⁵ Diseñado para suprimir errores. 

"Para que las computadoras cuánticas tengan éxito, necesitamos que las tasas de error sean aproximadamente mil millones de veces mejores que las actuales.", dijo Oskar Painter, director de hardware cuántico en AWS y profesor de física en Caltech. Si bien las tasas de error están disminuyendo, esto ocurre a un ritmo lento, "aproximadamente el doble cada dos años", por lo que, para acelerar este proceso, están desarrollando una nueva arquitectura de chip, aunque es "una etapa inicial".

Los investigadores están utilizando qubits de gato, que han reducido significativamente los errores de inversión de bits, siendo los errores de inversión de fase los únicos que quedan por corregir. Esta significa que los investigadores pueden utilizar un código de repetición. En su nuevo chip , que son Ocelote, un código de repetición clásico significa no necesidad de tantos qubits para corregir errores.

"Hemos demostrado una arquitectura más escalable que puede reducir la cantidad de qubits adicionales necesarios para la corrección de errores hasta en un 90 por ciento."

– Fernando Brandão, un Profesor de Física Teórica en Caltech y director de ciencias aplicadas en AWS

Para lograrlo, el chip Ocelot combina cinco cúbits cat, circuitos de búfer especiales para estabilizar su oscilación y cuatro cúbits de apoyo para detectar errores de fase. El código de repetición ha demostrado ser eficaz para detectar errores de inversión de fase, lo cual mejora a medida que el código aumenta de tres a cinco cúbits cat.

Invertir en tecnología cuántica

Ahora uno Una de las apuestas de computación cuántica más puras del mercado es IonQ (IONQ ), el cual toma El enfoque de iones atrapados para hacer realidad la tecnología. Lo que realmente petroquímica it destacarse Se trata de puertas de alta fidelidad, integración con las principales plataformas en la nube, adquisiciones agresivas y un fuerte crecimiento de patentes., aunque Los costos de escalamiento presentan una gran reto.

IonQ (IONQ )

Fundada hace una década a partir de años de investigación en la Universidad de Maryland y la Universidad de Duke, IonQ está desarrollando computadoras cuánticas de iones atrapados. objetivo de la empresa El objetivo es llevar esta tecnología a aplicaciones comerciales, industriales y académicas. 

Para ello, la empresa esta enfocado sobre átomos ionizados, lo que cree que puede permitir a sus computadoras realizar cálculos más sofisticados durante más tiempo y con menos errores.

Sólo este mes, IonQ Afirmó haber logrado una fidelidad de puerta de dos cúbits superior al 99.9 % en sus plataformas de desarrollo de bario, acercándolo a su sistema comercial, IonQ Tempo.

Este hito "marca un hito crítico para los sistemas empresariales", afirmó Dean Kassmann, vicepresidente sénior de Ingeniería y Tecnología de IonQ, quien señaló que "cuanto mayor sea la fidelidad de la puerta nativa, menor será la corrección de errores en todas sus formas. Una mayor fidelidad también es esencial para aplicaciones cuánticas más rápidas y precisas".

El uso de iones de bario como qubits is un cambio respecto de los iones de iterbio en los que la empresa trabajó durante la mayor parte de su historia. Los iones de bario tienen sido elegido por sus mayores velocidades de puerta, mayor límite de fidelidad nativa, mejor estabilidad, menores errores de preparación/medición de estado (SPAM) y un rendimiento general superior. 

IonQ también cuenta con una sólida cartera de patentes que ya ha superado las 1,000, lo que, según dice, posiciona a la empresa para desarrollar sistemas escalables, de alto rendimiento y rentables, acelerando su cronograma para lograr una ventaja cuántica comercial incomparable.

Al 29 de septiembre de 2025, IONQ cerró en $64.26 (máximo histórico de $75.14 el 23 de septiembre de 2025). Esto representa unas 7.4 veces más que el cierre de $8.74 del 30 de septiembre de 2024. El rendimiento acumulado del año varía según la ventana de origen, pero se sitúa en torno al 50-90 %. La capitalización de mercado se sitúa entre $20 mil millones y $22 mil millones.

La compañía tiene un EPS (TTM) de -2.02 y un P/E (TTM) de -33.35.

En cuanto a sus finanzas, IonQ reportó $20.7 millones en ingresos para el segundo trimestre finalizado el 30 de junio, 2025. La pérdida neta fue de $ 177.5 millones. Efectivo, equivalentes de efectivo e inversiones al final del El período fue de 656.8 millones de dólares.

Durante este trimestre, la compañía fortaleció su balance a través de la mayor inversión de capital de una sola institución en la industria. IonQ también completó la adquisición de la empresa de interconexión cuántica Lightsynq y de la empresa de tecnología espacial Capella, y propuso la adquisición de Oxford Ionics por 1.075 millones de dólares.

“La combinación de la experiencia en hardware y software de IonQ y la implementación de trampa de iones en un chip por parte de Oxford proporciona al equipo, la propiedad intelectual, la tecnología y el impulso para alcanzar 800 qubits lógicos en 2027 y 80,000 qubits lógicos en 2030”.  

– Director ejecutivo Niccolo de Masi

En el segundo trimestre, IonQ informó haber logrado una aceleración de hasta 20 veces en un flujo de trabajo de química computacional acelerado cuánticamente (para el desarrollo de fármacos) en colaboración con AstraZeneca, NVIDIA y AWS.

Último IonQ Noticias y desarrollos bursátiles (IONQ)

Conclusión

Tecnología cuántica es ampliamente esperado Revolucionar industrias resolviendo problemas complejos. El experimento sin precedentes en Caltech demuestra que la computación cuántica a gran escala con corrección de errores podría estar cada vez más cerca de ser una realidad.

Con este tipo de investigación, junto con nuevas arquitecturas, avances en materiales y actores comerciales que aceleran el desarrollo, la tecnología cuántica podría convertirse en una herramienta universalmente aplicable en los próximos años, posibilitando avances en la ciencia y la sociedad.

Haga clic aquí para obtener una lista de las principales empresas de computación cuántica.

Referencias

1. Grün, DS, White, SJM, Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, MJ y Ferlaino, F. (2024). Matrices de pinzas ópticas de átomos de erbio. Physical Review Letters, 133, 223402. Publicado el 26 de noviembre de 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402
2. Neven, H. (9 de diciembre de 2024). Conozcan a Willow, nuestro chip cuántico de vanguardia. Blog de investigación de Google. Obtenido de https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/
3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). Una matriz de pinzas con 6100 cúbits atómicos altamente coherentes. Nature. Publicado el 24 de septiembre de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4
4. Manetsch, HJ, Nomura, G., Bataille, E., Leung, KH, Lv, X. y Endres, M. (2025). Una matriz de pinzas con 6100 cúbits atómicos altamente coherentes. Nature. (Versión de registro), publicada el 24 de septiembre de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4
5. Putterman, H., Noh, K., Hann, CT, et al. (2025). Corrección de errores cuánticos eficiente en hardware mediante cúbits bosónicos concatenados. Nature, 638, 927–934. (Versión de registro), publicada el 26 de febrero de 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7