La computación cuántica se ha desarrollado en los últimos años en torno al concepto del qubit, la unidad básica de información cuántica. Al igual que el bit clásico puede estar en los estados 0 o 1, el qubit puede encontrarse en una superposición de ambos. Sin embargo, en el mundo físico cuántico no estamos necesariamente limitados a solo dos estados. Es aquí donde entran en juego los llamados qutrits (3 estados) y ququarts (4 estados), miembros de una familia más general conocida como qudits (quantum digits).
Un reciente estudio publicado en Nature (2025) ha demostrado el primer sistema de corrección de errores aplicado a qutrits y ququarts, abriendo una nueva vía para la escalabilidad de la computación cuántica más allá del paradigma binario tradicional.
¿Qué son los qudits, qutrits y ququarts?
- Qubit: sistema cuántico de 2 estados (|0⟩ y |1⟩)
- Qutrit: sistema cuántico de 3 estados posibles (|0⟩, |1⟩, |2⟩)
- Ququart: sistema cuántico de 4 estados (|0⟩, |1⟩, |2⟩, |3⟩)
- Qudit: término genérico para un sistema con d estados cuánticos
A diferencia de los qubits, que representan superposiciones en un espacio bidimensional, los qudits permiten representar información en dimensiones superiores, lo que teóricamente aumenta la densidad de información que puede procesarse con la misma cantidad de hardware físico.
¿Por qué no se han utilizado más hasta ahora?
El uso de qudits ha sido limitado principalmente por:
- Complejidad física: muchos sistemas cuánticos (como los transmons superconductores) solo permiten controlar con precisión dos niveles energéticos.
- Mayor tasa de error: al utilizar más niveles cuánticos, la distancia energética entre ellos disminuye, lo que incrementa la sensibilidad al ruido y la pérdida de coherencia.
- Dificultad de control y programación: las operaciones lógicas necesarias en qudits son más complejas y no se pueden aplicar directamente las técnicas desarrolladas para qubits.
El avance: corrección de errores en qudits
En el estudio de 2025, investigadores utilizaron un cavitador resonante acoplado a un transmon superconductivo para crear sistemas de qutrits y ququarts. Estos sistemas se comportaban como osciladores cuánticos capaces de mantener múltiples modos de vibración en superposición.
El experimento mostró que, aunque el incremento de estados reducía la estabilidad cuántica, era posible recuperar parte de esa estabilidad utilizando técnicas de corrección de errores adaptadas a qudits. En concreto:
- Un qutrit corregido lograba una duración similar a la de un qubit sin corregir.
- Un ququart corregido superaba el rendimiento de un qutrit sin corrección.
Esto se consiguió gracias a mediciones débiles realizadas por el transmon, capaces de detectar desviaciones en el estado cuántico sin colapsarlo. Mediante técnicas de aprendizaje por refuerzo, se optimizó el sistema de control para mantener el estado estable durante más tiempo.
¿Por qué pueden ser clave para el futuro?
Actualmente, uno de los principales cuellos de botella de la computación cuántica es el número limitado de qubits conectables con baja tasa de error. Si una única unidad física puede representar más de dos estados (por ejemplo, tres en un qutrit), se puede almacenar y procesar más información con menos hardware.
Los beneficios potenciales son:
- Reducción del número total de qudits necesarios para una tarea dada.
- Mejor eficiencia en protocolos de corrección de errores.
- Incremento en la densidad lógica de la memoria cuántica.
- Codificación más eficiente de algoritmos cuánticos como QFT, algoritmos de Grover o de Shor, adaptados a espacios de dimensión mayor.
Aplicaciones potenciales
Los qudits no son solo una curiosidad teórica. Están empezando a explorarse en áreas como:
- Criptografía cuántica multivalente, con canales más seguros frente a interferencias.
- Simulaciones de sistemas físicos, donde muchos sistemas naturales tienen más de dos niveles energéticos.
- Computación cuántica topológica y modelos más robustos frente a fallos.
Conclusión
Aunque los qubits seguirán siendo fundamentales en el desarrollo cuántico durante años, los qutrits y ququarts representan una evolución natural hacia sistemas más compactos, eficientes y potentes. Si la industria logra superar los desafíos técnicos asociados —especialmente en la fidelidad y la corrección de errores—, podríamos estar ante una nueva generación de computadoras cuánticas capaces de resolver problemas útiles antes de lo previsto.
En un campo donde cada qubit cuenta, sumar más estados por unidad podría marcar la diferencia entre un prototipo experimental y un sistema cuántico verdaderamente funcional.
