Superconductores, iones atrapados, átomos neutros, fotónica, espín y más: comparación de modalidades de qubits

Una comparación práctica de las principales modalidades de qubits: superconductores, iones atrapados, átomos neutros, fotónica, espín, topológica y recocido cuántico.

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Distintas modalidades de qubits persiguen el mismo objetivo —bits cuánticos y puertas controlables—, pero apuestan por soluciones de ingeniería muy diferentes. Algunas ponen el acento en la capacidad de fabricación, otras en la coherencia o la calidad de la medición, y otras buscan resistencia intrínseca a errores o se orientan a la optimización en lugar de a la computación universal de modelo de puertas.

Por qué importa la “modalidad de qubit”

Un qubit es cualquier sistema cuántico controlable de dos niveles. En la práctica, esa definición amplia da lugar a hardware muy distinto: circuitos superconductores en chips, iones suspendidos en trampas electromagnéticas, átomos neutros organizados con pinzas ópticas, fotones que viajan por redes ópticas, espines en dispositivos semiconductores y sistemas más especulativos basados en anyones.

Estas decisiones importan porque un procesador útil necesita algo más que qubits. En todas las arquitecturas, los requisitos recurrentes incluyen la capacidad de inicializar qubits, aplicar un conjunto universal de puertas, preservar la información cuántica el tiempo suficiente para realizar el cálculo, medir los resultados con precisión y escalar a sistemas mayores. Ninguna modalidad domina en todos los frentes.

Una forma útil de entender el sector es pensar que cada plataforma optimiza un cuello de botella distinto. Los sistemas superconductores se apoyan en técnicas consolidadas de fabricación de chips y se han convertido en el enfoque industrial dominante para las unidades de procesamiento cuántico. Los iones atrapados destacan por la gran precisión de sus operaciones. Los átomos neutros ofrecen matrices densas y reconfigurables e interacciones fuertes mediante el bloqueo de Rydberg. Los sistemas fotónicos se benefician de la idoneidad natural de los fotones para la comunicación. Los qubits de espín intentan aprovechar la fabricación convencional de semiconductores. La computación topológica promete robustez incorporada, pero sigue sin estar resuelta experimentalmente. El recocido cuántico vuelve a ser distinto: se centra en la optimización más que en toda la pila de computación universal de modelo de puertas.

Una vista comparativa

Modalidad	Portador físico	Cómo funcionan las puertas/interacciones	Fortalezas destacadas	Principales desafíos o salvedades
Superconductora	Circuitos superconductores de frecuencia de microondas con uniones Josephson	Pulsos de microondas para puertas de un qubit; intercambio coherente o acoplamiento paramétrico para puertas de dos qubits	Arquitectura industrial dominante; compatible con la fabricación en estado sólido; se han reportado procesadores con más de 1.000 qubits	Requiere temperaturas ultrabajas; la coherencia ha sido históricamente corta, aunque ha mejorado sustancialmente
Ión atrapado	Átomos cargados confinados en campos electromagnéticos	Los láseres impulsan transiciones de un qubit y acoplan estados internos al movimiento compartido para el entrelazamiento	Operaciones fundamentales demostradas con la mayor precisión; inicialización y lectura de alta fidelidad	Escalar a muchos iones en una sola trampa es difícil; el movimiento se vuelve más complejo a medida que crecen los sistemas
Átomo neutro	Átomos enfriados por láser, a menudo en pinzas ópticas	Láseres para control de un qubit; bloqueo de Rydberg para puertas entrelazantes como CZ	Interacciones fuertes y conmutables; se han reportado fidelidades de un qubit de hasta 0.999; se han demostrado 48 qubits lógicos	Requiere control láser preciso y condiciones de espaciado cercano para puertas basadas en bloqueo
Fotónica / LOQC	Fotones en modos ópticos	Elementos ópticos lineales más detectores, ancillas, teleportación y corrección de errores en esquemas de tipo KLM	Encaje natural para la transmisión; la computación universal es posible en principio; integración sencilla con tareas de comunicación	Los fotones interactúan débilmente, por lo que la lógica de dos qubits puede requerir muchos recursos y no ser determinista
Qubit de espín	Espín de electrones o huecos en dispositivos semiconductores, a menudo puntos cuánticos	Intercambio mediante voltajes pulsados entre puntos; rotaciones locales de espín para la lógica	Puede usar fábricas de obleas de silicio estándar de la industria; algunos dispositivos operan a unos pocos kelvin	Requiere un control estricto del espaciado entre niveles, la temporización de pulsos y la decoherencia
Topológica	Anyones en sistemas 2D, con computación mediante trenzado	Los trenzados de las líneas de mundo de los anyones implementan puertas	En principio, robusta ante pequeños errores de trayectoria; ruta propuesta hacia la tolerancia a fallos	Los anyones no abelianos necesarios siguen siendo objeto de controversia experimental
Recocido cuántico	Sistema cuántico con evolución temporal para optimización, a menudo de tipo Ising	Cambio lento de un campo transversal para buscar soluciones de baja energía	Diseñado específicamente para optimización combinatoria; existen sistemas comerciales	No se sabe que sea equivalente a la computación cuántica universal de modelo de puertas

Qubits superconductores: ventaja de fabricación, carga criogénica

La computación cuántica superconductora utiliza circuitos electrónicos superconductores, normalmente circuitos de frecuencia de microondas con uniones Josephson, construidos sobre chips de estado sólido. La unión Josephson es el elemento no clásico clave porque su inductancia no lineal genera una separación desigual entre niveles de energía, lo que permite a los ingenieros tratar los dos niveles más bajos como un qubit.

La ventaja más clara de esta modalidad es su capacidad práctica de fabricación. Es un enfoque de estado sólido y toma prestados métodos de fabricación de la producción convencional de chips. El artículo sobre computación cuántica superconductora la describe como el método industrial dominante para construir QPU, con trabajo que abarca a empresas como Google, IBM, IMEC, BBN Technologies, Rigetti e Intel.

Su mayor contrapartida es el entorno que necesita. Como la superconductividad solo se produce a temperaturas muy bajas, estos sistemas deben operar en condiciones ultrafrías. También siguen afrontando el desafío general de la decoherencia. El artículo sobre computación cuántica superconductora señala que los primeros qubits superconductores tenían una coherencia inferior a un nanosegundo, lo que hacía inviable el cálculo, pero la coherencia mejoró en aproximadamente cinco órdenes de magnitud en dos décadas. Los transmon, introducidos en 2007 para reducir la sensibilidad al ruido de carga, se convirtieron en el diseño dominante y alcanzaron entre 10 y 100 microsegundos de coherencia. Un qubit fluxonium superó 1 ms en 2021 y, para 2025, los transmon superconductores también alcanzaron tiempos de coherencia del orden de milisegundos.

En escala, el hardware superconductor lidera actualmente en número bruto de qubits: para 2025, los procesadores habían superado los 1.000 qubits, con IBM Condor en 1.121 qubits. La misma fuente también cita la afirmación de Google de 2019 sobre muestreo de circuitos aleatorios en Sycamore y un anuncio de 2025 de una de las primeras ventajas cuánticas verificables de forma independiente con Willow. Aun así, esas demostraciones no resuelven la cuestión más amplia de qué modalidad será la mejor para una computación útil y tolerante a fallos.

Iones atrapados: primero precisión, después escalado

Los ordenadores cuánticos de iones atrapados almacenan qubits en estados electrónicos estables de iones confinados en el espacio libre mediante campos electromagnéticos. El entrelazamiento se media a través del movimiento cuantizado compartido de los iones, y los láseres proporcionan el control tanto para operaciones de un qubit como de dos qubits.

El principal atractivo aquí es la precisión. El artículo sobre ordenadores cuánticos de iones atrapados dice que las operaciones fundamentales de un ordenador cuántico se han demostrado experimentalmente con la mayor precisión en sistemas de iones atrapados. La inicialización mediante bombeo óptico puede superar el 99,9% de fidelidad, la medición puede superar el 99,99%, la fidelidad de las puertas de un qubit puede ser superior al 99%, y las implementaciones de puertas entrelazantes también han superado el 99%.

El desafío es la escala. Múltiples iones en una misma trampa interactúan mediante fuerzas de Coulomb y, a medida que se añaden más iones, la estructura vibracional se vuelve más complicada, lo que dificulta la inicialización y el cálculo. Por ello, las ideas de escalado del campo se centran en la modularidad: transportar iones entre regiones de trampa, usar matrices bidimensionales de trampas o interconectar fotónicamente cadenas de iones remotas. En diciembre de 2023, el mayor conjunto reportado con entrelazamiento controlable era de 32 iones atrapados.

Eso convierte a los iones atrapados en un candidato sólido para la computación cuántica universal, pero uno en el que el esfuerzo de ingeniería se concentra en la arquitectura y la integración de sistemas más que en demostrar la calidad de las operaciones básicas.

Átomos neutros: matrices reconfigurables y fuerte física de bloqueo

La computación cuántica con átomos neutros comparte algunos rasgos con los iones atrapados, pero sustituye partículas cargadas por átomos enfriados por láser, a menudo controlados en trampas magneto-ópticas y pinzas ópticas. Los qubits se codifican en niveles de energía atómicos, se preparan mediante bombeo óptico, se manipulan con láseres o campos de frecuencia de microondas y se miden mediante imágenes de fluorescencia.

Su mecanismo característico es el bloqueo de Rydberg. Cuando los átomos se excitan a estados de Rydberg de alta energía, sus interacciones pueden volverse dramáticamente más fuertes. El artículo sobre ordenadores cuánticos de átomos neutros ofrece una ilustración concreta: a una separación de 10 micrómetros, la interacción entre dos átomos en estado fundamental es de alrededor de 10^-5 Hz, mientras que la interacción entre dos átomos excitados al estado de Rydberg es de alrededor de 100 MHz. En el régimen de bloqueo, excitar un átomo impide de forma efectiva que átomos cercanos se exciten al mismo estado de Rydberg, lo que crea un mecanismo de entrelazamiento controlable.

Esa fuerza de interacción sustenta puertas controladas rápidas de dos qubits como CZ, mientras que en experimentos de vanguardia se han mostrado fidelidades de un qubit de hasta 0.999. El artículo sobre ordenadores cuánticos de átomos neutros también afirma que este enfoque se ha utilizado para demostrar un procesador de 48 qubits lógicos en diciembre de 2023.

La contrapartida es la complejidad del control: las puertas por bloqueo dependen de la geometría, el desajuste de frecuencia y la precisión del láser. Aun así, los átomos neutros destacan por combinar matrices reconfigurables con una interacción entrelazante nativa que se vuelve fuerte solo cuando hace falta.

Computación fotónica: nativa para la comunicación, pobre en interacciones

La computación cuántica fotónica o lineal-óptica utiliza fotones como portadores de información y los procesa con elementos ópticos como espejos, divisores de haz, moduladores de fase, detectores y memorias cuánticas.

Su atractivo es evidente. Los fotones son naturalmente adecuados para representar, transmitir y detectar estados cuánticos, lo que hace que los sistemas fotónicos resulten atractivos cuando computación y comunicación deben convivir en el mismo marco. El artículo sobre computación cuántica óptica lineal también señala que las redes ópticas lineales pueden implementar transformaciones unitarias arbitrarias y que la computación cuántica universal es posible en principio.

Pero los fotones “apenas interactúan” entre sí, y ese es el principal quebradero de cabeza de ingeniería. Por ello, la lógica de dos qubits es difícil de realizar directamente y puede exigir muchos recursos. El protocolo KLM abordó este problema al mostrar en 2000 que la computación cuántica universal podía construirse a partir de elementos ópticos lineales, fuentes de fotón único, detectores, estados ancilla, teleportación y corrección de errores, creando de forma efectiva un comportamiento no lineal útil mediante medición y postselección. Eso hace que LOQC sea prometedora, pero a menudo no determinista y potencialmente ineficiente en recursos.

El artículo sobre computación cuántica óptica lineal también distingue el muestreo de bosones, del que no se cree que sea universal pero que se ha utilizado en demostraciones de tipo supremacía cuántica.

Qubits de espín: la compatibilidad con semiconductores como estrategia

La computación cuántica con qubits de espín almacena información en el espín de portadores de carga en dispositivos semiconductores, especialmente electrones confinados en puntos cuánticos. El punto estratégico importante es la compatibilidad con la fabricación convencional de semiconductores. El artículo sobre ordenadores cuánticos de qubits de espín dice que los qubits de espín basados en átomos de silicio pueden producirse en fábricas estándar de obleas de silicio usadas para la producción de chips lógicos.

La propuesta de Loss–DiVincenzo utiliza voltajes de puerta pulsados entre puntos cuánticos para controlar interacciones de intercambio y manipulación local del espín para construir operaciones lógicas, incluida CNOT, mediante combinaciones de puertas de tipo swap y rotaciones de espín individuales.

El atractivo es claro: si los qubits de espín pueden escalar, podrían apoyarse en la infraestructura de fabricación de la electrónica convencional. Algunos dispositivos también operan a unos pocos kelvin, descritos en el artículo sobre ordenadores cuánticos de qubits de espín como “qubits calientes”, lo que puede ayudar al escalado en comparación con plataformas que requieren entornos más fríos. Pero las restricciones son estrictas: el espaciado entre niveles debe superar la energía térmica, los pulsos deben evitar poblar estados orbitales superiores y la decoherencia debe seguir siendo más lenta que las operaciones de puerta.

Computación cuántica topológica: idea elegante, realidad incierta

La computación cuántica topológica almacena información en estados anyónicos y realiza puertas mediante el trenzado de líneas de mundo en el espaciotiempo. La ventaja conceptual es la robustez: pequeñas perturbaciones pueden alterar trayectorias detalladas sin cambiar la clase topológica del trenzado, por lo que la información codificada puede ser intrínsecamente menos sensible a ciertos errores.

En teoría, los ordenadores cuánticos topológicos pueden igualar la potencia computacional de los ordenadores cuánticos estándar. Pero la salvedad experimental clave es seria: los anyones no abelianos necesarios para las versiones más relevantes de la computación topológica no se han confirmado experimentalmente de forma incontestable. El artículo sobre ordenadores cuánticos topológicos dice que las supuestas evidencias de física relacionada con Majorana han sido cuestionadas y que al menos una afirmación destacada de 2018 fue retractada en 2021.

Así que la computación topológica sigue siendo importante como idea de tolerancia a fallos, pero todavía no está en la misma situación práctica que los enfoques superconductores, de iones atrapados, de átomos neutros, fotónicos o de espín.

Recocido cuántico: no es una modalidad general de qubit, pero sí es relevante

El recocido cuántico suele discutirse junto a las modalidades de qubits, pero se entiende mejor como un modelo computacional distinto. Está orientado principalmente a problemas de optimización, especialmente problemas combinatorios con muchos mínimos locales. El método comienza en una superposición cuántica amplia y cambia lentamente un campo transversal para que el sistema tienda a terminar cerca del estado fundamental de un hamiltoniano del problema.

El recocido cuántico apunta a una posible ventaja frente al recocido simulado en paisajes con barreras muy altas pero estrechas, donde el efecto túnel cuántico puede ayudar a escapar de mínimos locales con mayor eficacia que el movimiento térmico. Existen sistemas comerciales: D-Wave anunció el primer recocedor cuántico comercial en 2011.

La arquitectura de D-Wave difiere de la de los ordenadores cuánticos universales tradicionales y no puede ejecutar el algoritmo de Shor porque carece de las operaciones de puerta precisas y de las transformadas cuánticas de Fourier que ese algoritmo requiere. Las afirmaciones sobre aceleración siguen dependiendo del problema y no están resueltas en general.

Entonces, ¿qué modalidad es la “mejor”?

La respuesta honesta es que “mejor” depende de qué se quiera optimizar. Si se busca el impulso industrial actual y grandes procesadores a escala de chip, la superconductora va por delante. Si se busca la mayor precisión operativa demostrada, los iones atrapados son extraordinariamente convincentes. Si se quieren matrices reconfigurables e interacciones fuertes bajo demanda, los átomos neutros son un competidor serio. Si lo más importante son las redes y los qubits voladores, la fotónica tiene ventajas estructurales. Si la prioridad es la compatibilidad con procesos de semiconductores, los qubits de espín son estratégicamente atractivos. Si se busca resistencia intrínseca a errores, las ideas topológicas resultan seductoras, pero siguen sin demostrarse experimentalmente. Si el problema es de optimización más que de computación universal, el recocido cuántico puede ser el conjunto de comparación pertinente.

Conclusiones clave

Las modalidades de qubits se diferencian principalmente por el sistema físico que porta el qubit y por cómo se diseñan las interacciones.
Los qubits superconductores combinan actualmente una fuerte adopción industrial con grandes tamaños de procesador, pero requieren criogenia extrema y siguen luchando contra la decoherencia.
Los iones atrapados destacan por la precisión de sus puertas, su inicialización y su medición, aunque escalar a sistemas grandes es exigente desde el punto de vista arquitectónico.
Los átomos neutros utilizan el bloqueo de Rydberg para crear interacciones muy fuertes y controlables y permiten matrices reconfigurables.
La computación fotónica está alineada de forma natural con la comunicación cuántica, pero las interacciones fotón-fotón son débiles, lo que hace que la lógica universal exija muchos recursos.
Los qubits de espín son atractivos porque pueden aprovechar la fabricación convencional de semiconductores, especialmente en silicio.
La computación cuántica topológica ofrece en teoría una propuesta de robustez convincente, pero las cuasipartículas que requiere siguen siendo objeto de controversia experimental.
El recocido cuántico es importante para la optimización, pero no debe confundirse con la computación cuántica universal de modelo de puertas.