Dos qubits superconductores en un mismo chip suenan tan limpios como solistas en una orquesta. Cada uno es un transmón, un qubit con menor sensibilidad al ruido de carga. Están conectados mediante un acoplador sintonizable, un elemento auxiliar que ajusta la fuerza de interacción entre ellos. El equipo de IQM Quantum Computers logró que este dúo tocara sin una sola nota falsa. La precisión promedio de las compuertas de un qubit alcanzó el 99,98 %, la de la compuerta de dos qubits CZ el 99,93 % y la de la lectura el 99,94 %. Para la corrección cuántica de errores se necesita el conjunto completo: compuertas rápidas de un qubit, compuertas precisas de dos qubits y una lectura que no destruya el estado cuántico. Aquí, este conjunto se ha reunido por primera vez en un solo dispositivo.

La principal dificultad es la fuga. Se trata de la transición del qubit fuera del subespacio computacional, al estado |02⟩. La fuga es como un músico que, a mitad de la pieza, empieza a tocar una nota equivocada y desentona a todo el conjunto. Los métodos estándar de calibración no distinguen bien este error entre otros. El nuevo protocolo PALEA actúa como un director con oído perfecto: después de cada compuerta, añade una capa de desacoplamiento dinámico y promedia la señal sobre fases aleatorias. Esto amplifica solo el error de fuga objetivo, lo que permite ajustar la compuerta con precisión de joyero. Como resultado, la fuga se reduce al menos a la mitad en comparación con el método estándar de amplificación de errores.

La optimización de la fuerza de acoplamiento qubit-acoplador fue otra clave. Primero se modelaron numéricamente los errores de las compuertas en función de la fuerza de acoplamiento y se encontró un óptimo alrededor de 75 MHz. Luego se fabricó un chip con una fuerza de acoplamiento real de 66 MHz. Este equilibrio permitió minimizar simultáneamente los errores de las operaciones de un qubit y de dos qubits. La lectura se optimizó mediante escalonamiento (shelving), que consiste en llevar el estado excitado a un nivel más alto antes de la medición para prolongar su vida. Esta técnica aumenta la precisión, pero incrementa ligeramente la fuga. Encontrar un compromiso entre estos requisitos sigue siendo un problema abierto.

Antes de este trabajo no estaba claro si en un solo chip superconductor se podían alcanzar simultáneamente precisiones superiores al 99,9 % para compuertas de un qubit, de dos qubits y para la lectura. Optimizar una operación suele empeorar las demás. Ahora se ha demostrado que una cuidadosa selección de la fuerza de acoplamiento y el nuevo protocolo de calibración PALEA permiten alcanzar las tres precisiones por encima del 99,9 % en un solo dispositivo. El método se puede utilizar de inmediato en laboratorios que trabajan con qubits superconductores para acelerar la calibración y mejorar la precisión de las compuertas al escalar.

La orquesta cuántica se prepara para los grandes escenarios. El siguiente paso podría ser trasladar esta arquitectura a una red bidimensional de qubits con cuatro conexiones por qubit. Mejorar el tiempo de coherencia permitirá reducir aún más la fuerza de acoplamiento óptima y disminuir la diafonía. Para la lectura se podría utilizar el escalonamiento al tercer estado excitado, para aumentar aún más la precisión. Cuando cada instrumento suena limpio, un conjunto de miles de qubits podrá interpretar los algoritmos cuánticos más complejos sin notas falsas.