La computación cuántica, todavía en sus primeros pasos hacia la madurez tecnológica, ha girado hasta ahora en torno al qubit, la unidad cuántica de información. Pero una nueva generación de sistemas, más allá del esquema binario, comienza a captar el interés del mundo científico. Se trata de los qutrits (con tres estados) y los ququarts (con cuatro), integrantes de una categoría más general: los qudits.
Un reciente avance publicado en Nature (2025) ha conseguido aplicar por primera vez corrección de errores cuánticos en qutrits y ququarts, abriendo nuevas posibilidades para mejorar el rendimiento, la escalabilidad y la eficiencia de los ordenadores cuánticos del futuro.
Qudits: una evolución más allá del 0 y 1
En computación cuántica, los sistemas más conocidos son los qubits, que pueden encontrarse en una superposición de los estados |0⟩ y |1⟩. Sin embargo, los qudits extienden esta lógica:
- Qubit: 2 estados (|0⟩, |1⟩)
- Qutrit: 3 estados (|0⟩, |1⟩, |2⟩)
- Ququart: 4 estados (|0⟩, |1⟩, |2⟩, |3⟩)
- Qudit: sistema de d estados cuánticos
Este aumento dimensional permite almacenar más información en menos espacio físico, incrementando la densidad lógica de la memoria cuántica y abriendo la puerta a una nueva eficiencia en el diseño de algoritmos y arquitectura de hardware.
Si son mejores, ¿por qué no se usan más?
Aunque prometedores, los qudits han sido poco utilizados hasta ahora por diversas razones:
- Limitaciones físicas: muchos sistemas cuánticos actuales, como los transmons superconductores, están optimizados para trabajar con solo dos niveles energéticos. Ampliar esos niveles requiere mayor precisión y control.
- Mayor sensibilidad al ruido: cuantos más niveles se añaden, menor es la distancia energética entre ellos, lo que aumenta la probabilidad de errores y pérdida de coherencia cuántica.
- Complejidad de las operaciones: las puertas lógicas cuánticas diseñadas para qubits no son directamente compatibles con qutrits o ququarts. Se requiere un nuevo modelo de programación y control.
El avance clave: corrección de errores en sistemas multivalentes
En el estudio publicado este año, un grupo de investigadores utilizó un resonador cuántico acoplado a un transmon superconductivo para crear estados qutrit y ququart dentro de una cavidad de microondas. A través de técnicas de medición débil (que no colapsan el estado cuántico) y aprendizaje por refuerzo, lograron aplicar por primera vez métodos efectivos de corrección de errores a qudits complejos.
Los resultados fueron reveladores:
- Un qutrit corregido mantuvo su estado casi tanto como un qubit sin corregir.
- Un ququart corregido superó el rendimiento del qutrit no corregido.
- En los tres casos, la aplicación de corrección de errores aumentó la vida útil de la información cuántica en un factor de aproximadamente 1,8.
Esto representa una validación experimental crítica de que los qudits pueden beneficiarse de técnicas de protección frente a errores, igual que los qubits.
¿Por qué son importantes para el futuro de la computación cuántica?
Actualmente, el principal reto para construir ordenadores cuánticos funcionales es la escasez de qubits útiles y el alto nivel de ruido. Cada operación requiere múltiples qubits solo para aplicar corrección de errores, lo que hace que muchos dispositivos actuales no puedan ejecutar algoritmos útiles.
Los qutrits y ququarts ofrecen una solución atractiva:
- Más información por unidad física: un único qudit puede reemplazar varios qubits en ciertas tareas.
- Menor necesidad de componentes: menos hardware implica menor complejidad y coste.
- Optimización de algoritmos: algunos algoritmos cuánticos (como el de Shor o Grover) pueden reescribirse para ser más eficientes usando qutrits.
- Ventajas en criptografía: los canales multivalentes pueden ser más resistentes a interferencias o ataques.
Aplicaciones en expansión
Aunque todavía en fase de investigación, los qudits empiezan a ser considerados en áreas como:
- Criptografía cuántica multivalente, mejorando la seguridad de las comunicaciones.
- Simulación de sistemas físicos complejos, que naturalmente presentan más de dos estados por partícula.
- Computación cuántica topológica, donde los estados multivalentes podrían aportar mayor robustez.
Conclusión: un nuevo horizonte cuántico
Aunque los qubits seguirán siendo protagonistas durante muchos años, el desarrollo de qutrits y ququarts marca una evolución lógica y necesaria en la carrera hacia la computación cuántica práctica y escalable. No son una sustitución inmediata, pero sí una vía prometedora para resolver cuellos de botella críticos.
En un contexto donde cada mejora cuenta, aumentar el número de estados por unidad de hardware podría ser la clave que acerque el momento en que los ordenadores cuánticos dejen de ser prototipos y se conviertan en herramientas útiles para la ciencia, la industria y la sociedad.
📌 Más información científica: [Nature, 2025 – DOI: 10.1038/s41586-025-08899-y]
🧠 vía: Noticias inteligencia artificial
📊 Ilustración destacada: representación de qubit vs qutrit vs ququart en espacio visual cuántico.
