En el ámbito de la computación cuántica, la dimensión del espacio de Hilbert, que mide la cantidad de estados cuánticos a los que puede acceder un ordenador cuántico, se ha convertido en un aspecto fundamental. Contar con un mayor espacio de Hilbert permite realizar operaciones cuánticas más complejas y es crucial para llevar a cabo la corrección de errores cuánticos (QEC), esencial para proteger la información cuántica del ruido y los errores.
Recientemente, un estudio llevado a cabo por investigadores de la Universidad de Yale y publicado en Nature ha logrado crear qudits, un sistema cuántico que alberga información cuántica y puede existir en más de dos estados. A través del uso de un qutrit (sistema cuántico de tres niveles) y un ququart (sistema cuántico de cuatro niveles), los investigadores han demostrado por primera vez la corrección de errores cuánticos experimental para unidades cuánticas de mayor dimensión utilizando el código bosónico de Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP).
La mayoría de los ordenadores cuánticos disponibles en el mercado procesan información mediante estados cuánticos denominados qubits, que son unidades fundamentales similares a un bit en un ordenador convencional, capaces de existir en dos estados bien definidos: arriba (1) y abajo (0), y en una superposición de ambos. El espacio de Hilbert de un solo qubit es un espacio vectorial complejo de dos dimensiones. Sin embargo, el enfoque hacia qudits ha ganado interés científico, ya que su mayor dimensionalidad podría facilitar tareas complejas como la construcción de puertas cuánticas, la ejecución de algoritmos, la creación de estados «mágicos» especiales y la simulación de sistemas cuánticos complejos.
Avances en la corrección de errores cuánticos
La fiabilidad de la computación cuántica depende en gran medida de la corrección de errores cuánticos, que protege la frágil información cuántica de ruidos e imperfecciones. Sin embargo, la mayoría de los esfuerzos experimentales en este campo se han centrado exclusivamente en los qubits, relegando a los qudits a un segundo plano. En este estudio, los investigadores presentaron la primera demostración experimental de corrección de errores para un qutrit y un ququart, utilizando el código bosónico GKP. Para optimizar los sistemas como memorias cuánticas ternarias y cuaternarias, se aplicó un algoritmo de aprendizaje por refuerzo, una técnica de machine learning que utiliza un método de prueba y error para encontrar la mejor manera de corregir errores o operar puertas cuánticas.
El experimento logró superar el umbral de equilibrio para la corrección de errores, mostrando un método más práctico y eficiente en términos de hardware para la QEC, aprovechando las capacidades de un espacio de Hilbert más amplio. Aunque los investigadores advierten que el aumento de la pérdida de fotones y las tasas de dephasing de los estados GKP qudit pueden provocar una reducción modesta en la vida útil de la información cuántica codificada en qudits lógicos, también reconocen que esto proporciona acceso a más estados cuánticos lógicos en un solo sistema físico.
Los hallazgos de este estudio apuntan hacia la posibilidad de desarrollar ordenadores cuánticos robustos y escalables, lo que podría conducir a avances significativos en campos como la criptografía, la ciencia de materiales y el descubrimiento de fármacos. Esta investigación se sitúa en un contexto donde la innovación tecnológica se enfrenta a desafíos éticos y sociales, y plantea interrogantes sobre el futuro de la inteligencia artificial y la seguridad de la información.
Más información:
Benjamin L. Brock et al, Quantum error correction of qudits beyond break-even, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08899-y
