Por Dr. Shintaro Sato, Fellow, SVP & Head of Quantum Laboratory at Fujitsu Research, Fujitsu Limited
La computación cuántica está suscitando un interés considerable, pero la tecnología está aún en pañales. Se necesitan avances sustanciales en hardware y software cuánticos para que sea más realista y admita aplicaciones complejas como simulaciones de ciencia de materiales, cálculos de química cuántica, descubrimiento de fármacos y criptografía cuántica.
En 2025 podríamos asistir a grandes avances tanto en el rendimiento del hardware cuántico como en el software cuántico, sobre todo en las técnicas de corrección de errores.
El nivel de atención que se presta al software cuántico está aumentando rápidamente y es fundamental para el futuro desarrollo de los sistemas cuánticos. Los qubits de los ordenadores cuánticos son más susceptibles al ruido y, por tanto, propensos a errores, a diferencia de los bits de los ordenadores clásicos, que son relativamente estables y robustos.
Las operaciones cuánticas son susceptibles de errores procedentes de tres fuentes principales: la decoherencia, que provoca la pérdida de coherencia de los qubits; los errores de puerta, derivados de las imperfecciones de las puertas cuánticas y que conducen a manipulaciones erróneas de los qubits; y las imprecisiones de medición, causadas por lecturas imprecisas de los estados de los qubits.
El software desempeña un papel crucial en la supresión de estos errores. Un enfoque especialmente prometedor es la corrección cuántica de errores (QEC), que codifica la información cuántica de forma redundante en múltiples qubits especialmente entrelazados con qubits suplementarios (ancillas). Varias operaciones específicas y mediciones de ancillas en estos qubits permiten detectar y corregir errores sin medir directamente los datos cuánticos.
En 2025, espero que los avances en los códigos cuánticos de corrección de errores (QECC) hagan que la computación cuántica sea más escalable y resistente. Es probable que los investigadores desarrollen formas más eficientes de implementar los QECC, como los códigos de superficie y de comprobación de paridad de baja densidad cuántica (QLDPC). Estos códigos podrían ser más prácticos y requerir menos qubits físicos para las operaciones lógicas con qubits.
Vemos que los QECC se desarrollarán en 2025 y más allá en múltiples áreas, empezando por una implementación más eficiente del código de superficie, el QECC más prometedor debido a su sobrecarga de qubits relativamente baja y a su robustez. El año que viene podríamos ver optimizaciones en el código de superficie, como reducciones en el número de qubits físicos necesarios para realizar operaciones lógicas con qubits. Las innovaciones podrían consistir en la mejora de las estructuras reticulares (la disposición de los qubits) y de las técnicas de supresión de errores, lo que permitiría a los códigos de superficie funcionar de forma más eficiente.
También espero avances en los códigos QLDPC. Son una alternativa a los códigos de superficie con una sobrecarga de qubits potencialmente menor. Los códigos QLDPC utilizan matrices de comprobación dispersas, lo que los hace muy escalables y capaces de tolerar mayores tasas de error.
Otro avance será la concatenación de códigos, que consiste en superponer distintos QECC para crear un sistema de protección de varios niveles. Espero que mejoren las estrategias de concatenación para combinar los puntos fuertes de distintos QECC. Por ejemplo, un enfoque híbrido que utilice códigos de superficie y QLDPC podría mejorar la tolerancia a fallos manteniendo una sobrecarga relativamente baja.
También espero nuevos avances en la investigación y el desarrollo de descodificadores de alta velocidad, otro componente crucial de los esquemas QEC. Los descodificadores de alta velocidad son algoritmos y, cada vez más, hardware especializado diseñado para realizar rápidamente la corrección de errores. Los descodificadores de alta velocidad procesan las mediciones auxiliares y determinan eficazmente el estado cuántico original más probable. La velocidad de descodificación es fundamental, ya que cuanto más tarde el proceso, mayor será el riesgo de que se acumulen errores adicionales antes de que pueda aplicarse la corrección, lo que podría hacerla ineficaz. La velocidad de descodificación influye directamente en el rendimiento global y la escalabilidad de los ordenadores cuánticos, lo que la convierte en un reto fundamental en la búsqueda de la computación cuántica práctica.
Los avances en QEC tendrán un impacto práctico transformador en la computación cuántica. Al reducir las tasas de error y permitir tiempos de procesamiento más largos, los sistemas cuánticos podrán realizar cálculos más profundos y fiables, lo que resulta crucial para ejecutar algoritmos complejos. En campos como el descubrimiento de fármacos y la ciencia de los materiales, los ordenadores cuánticos pueden simular interacciones moleculares y propiedades cuánticas de nuevos materiales a nivel atómico, tareas que a menudo superan las capacidades computacionales de los ordenadores clásicos. Con una corrección de errores mejorada, los ordenadores cuánticos podrían aportar datos más precisos y procesables, acelerando los avances en el desarrollo de nuevos fármacos, materiales sostenibles y soluciones energéticas.
El Dr. Shintaro Sato es Fellow, SVP y Director del Laboratorio Cuántico de Fujitsu Research, Fujitsu Limited. También trabaja en RIKEN, Japón, como Director Adjunto del Centro de Colaboración RQC-Fujitsu de RIKEN. Es responsable de la investigación sobre computación cuántica en Fujitsu. En el Laboratorio Cuántico, dirige la investigación sobre todas las capas tecnológicas de la computación cuántica: dispositivos cuánticos, plataformas, software y aplicación. Antes de dedicarse a la computación cuántica, había estado trabajando en la investigación y el desarrollo de dispositivos posteriores al silicio utilizando nanotubos de carbono y grafeno, y obtuvo varios premios de investigación, incluido el SAP (la Sociedad Japonesa de Física Aplicada) Fellow Award en 2018.
