Qutrits y ququarts: el futuro de la computación cuántica que requerirá menos hardware para obtener resultados más rápidos

A la hora de realizar simulaciones complejas y resolver problemas con muchas variables, incluso los ordenadores más potentes del mundo tardan mucho tiempo en realizar este tipo de tareas. Es por ello que para estos casos, los ordenadores cuánticos destrozan a los superordenadores. La computación cuántica tiene una ventaja inherente que no tiene la computación clásica, pero claro, tiene también problemas y necesitamos reducir al máximo los errores. Hemos relacionado la computación cuántica siempre con los qubits, pero ahora unos investigadores han hablado de su evolución, los qutrits y los ququarts.

Un ordenador como el que tienes en casa, el que usan los servidores o centros de datos siempre va a estar limitado por la forma en la que opera y calcula, usando bits. Este sistema binario implica que el estado en el que se encuentra el bit puede ser o 0 o 1. Por otro lado, un qubit o cúbit es la unidad de información de un ordenador cuántico y esta se diferencia por poder estar tanto en 0 como en 1 de forma simultánea. Este "pequeño cambio" hace un mundo de diferencia si lo que queremos es resolver problemas complejos en un tiempo mucho más corto que un ordenador tradicional.

Unos investigadores exploran el uso de qutrits y ququarts como la evolución de los qubits en computación cuántica

Los ordenadores cuánticos llevan décadas con nosotros, pues el primero de todos se inventó en 1998. Este era considerado una prueba de concepto, un ordenador cuántico experimental NMR con 2 qubits. Aunque es cierto que la computación cuántica ha avanzado con el tiempo, hasta no hace mucho seguíamos con ordenadores que tenían apenas unas decenas de qubits. No fue hasta que IBM se puso las pilas que dejó a todos los rivales detrás con su procesador cuántico de 127 qubits en 2021 y con los 433 qubits que logró con Osprey en 2023. Además, está colaborando con Japón para crear un ordenador cuántico de 10.000 qubits.

Aunque los qubits se han usado como unidad de información, lo cierto es que hay más de dos estados que podrían alcanzarse y esto es lo que quieren demostrar unos investigadores. Estos han publicado el resultado de sus investigaciones en Nature, pues han explicado que es posible realizar una corrección de errores de memoria cuántica utilizando un sistema que puede estar en tres (qutrit) o cuatro (ququart) estados posibles.

Aunque bajo la teoría era posible trabajar con unidades de información que pudieran estar en más estados que un qubit, esta idea se ha descartado por varias razones. Por una parte, limita en gran medida el hardware que se ha diseñado para trabajar en un sistema binario. Por otro lado, las operaciones son más complicadas de realizar de esta forma, por lo que sería necesario desarrollar un nuevo modelo de programación que se adapte a esta nueva medida.

Con los qutrits y ququarts se podrán conseguir mejores resultados utilizando hardware menos potente

Aunque estos son aspectos negativos a tener en cuenta, lo cierto es que hay una gran ventaja detrás de todo esto: si usamos qutrits y ququarts podremos conseguir resolver problemas de mayor complejidad en menos tiempo utilizando hardware menos potente. Esto implica que sería posible obtener un resultado igual o mejor usando una fracción del hardware que se emplearía en un ordenador cuántico tradicional con qubits. Sin embargo, esto genera el problema típico de estos sistemas y ahí es donde los avances de los investigadores entran en juego.

Han utilizado un sistema con un transmón estándar, es decir, un qubit que tiene un hilo superconductor unido a un resonador de microondas. La diferencia es que aquí dispone de una cavidad de microondas adicional, por lo que si se usan más fotones se pueden generar patrones de interferencia y oscilaciones, permitiendo generar más modos y estados, pero incrementando la posibilidad de errores. Estos han declarado que tanto los qutrit como los ququart acortaban la vida útil de la memoria cuántica. Ahora bien, los resultados de sus experimentos concluyeron que con su sistema de corrección de errores podían mejorar en 1,8 veces su vida útil. Esto es fundamental, pues consiguieron que un qutrit corregido mantuviera su estado la misma cantidad de tiempo que un qubit sin corregir y lo mismo con un ququart corregido era equivalente a un qutrit sin corregir.

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