La «magia» cuántica que podría revolucionar los superordenadores del futuro

Un nuevo avance en física cuántica promete reducir drásticamente los errores en los ordenadores cuánticos, acercando su uso real a corto plazo. La clave está en una técnica llamada «destilación a nivel cero», que suena a ciencia ficción pero que ya es una realidad.

Por Enrique Coperías

Imagen conceptual de un ingeniero cuántico trabaja en la simulación de un estado mágico sobre un procesador cuántico, clave para reducir errores y avanzar hacia una computación cuántica universal. Imagen generada con DALL-E

Durante décadas, los ordenadores cuánticos han sido considerados como la promesa definitiva en el mundo de la computación: máquinas capaces de realizar ciertos cálculos millones de veces más rápido que los ordenadores convencionales.

Aunque en los últimos años se han logrado avances significativos, la computación cuántica universal y tolerante a errores sigue siendo un objetivo lejano. Sin embargo, una investigación reciente publicada en la revista PRX Quantum podría haber acortado ese camino de forma notable.

Un equipo de científicos de la Universidad de Osaka, en Japón, ha desarrollado una nueva técnica para preparar los llamados estados mágicos —ingrediente esencial para ejecutar ciertos algoritmos cuánticos— con una eficiencia sin precedentes. Y no solo eso, además ha empleando una fracción de los recursos necesarios hasta ahora para lograrlo.

Esta innovación, denominada destilación de estados mágicos a nivel cero, no solo reduce drásticamente el número de cúbits requeridos, sino que también disminuye el tiempo necesario para realizar la operación.

🧩 Recordemos que los cubits son la unidad básica de información en la computación cuántica, equivalente al bit en la computación clásica. A diferencia de un bit, que solo puede estar en 0 o 1, un cúbit puede permanecer en ambos estados a la vez gracias a la superposición cuántica. Esto permite realizar cálculos mucho más complejos y rápidos, especialmente cuando varios cúbits se entrelazan (entrelazamiento cuántico), lo que multiplica exponencialmente su capacidad de procesamiento.

La magia de los estados cuánticos

En los ordenadores cuánticos, los cálculos se hacen aplicando operaciones llamadas puertas cuánticas a los cúbits. Algunas de ellas, como las llamadas puertas Clifford, como Hadamard, Pauli y CNOT, son fáciles de ejecutar y muy fiables, pero por sí solas no permiten aprovechar todo el potencial de la computación cuántica.

Para resolver problemas realmente complejos —como simular cómo se comportan las moléculas o romper códigos de seguridad— se necesitan otras operaciones más potentes, como la puerta T. El problema es que estas operaciones son muy delicadas y propensas a errores.

Para poder usarlas de forma segura, los ingenieros informáticos emplean lo que se conoce como estados mágicos: configuraciones especiales de los cúbits que permiten hacer estas operaciones difíciles de manera indirecta, sin comprometer la precisión del cálculo.

Dicho de otra forma, los estados mágicos son una especie de comodín cuántico que permite expandir el conjunto de operaciones posibles. No obstante, producir estos estados con alta fidelidad es extremadamente difícil. La solución más extendida hasta ahora ha sido la destilación. Este es un proceso por el cual se toman múltiples copias de un estado mágico imperfecto y se combinan para obtener uno de calidad superior. Pero hay un precio.

El problema del ruido (y del presupuesto cuántico)

«El gran enemigo de la computación cuántica es el ruido —afirma Tomohiro Itogawa, autor principal del estudio. Y añade—: Incluso una perturbación mínima, como una ligera variación de temperatura o un fotón suelto del entorno, puede arruinar completamente un sistema cuántico».

Por eso, los científicos trabajan en diseñar ordenadores cuánticos tolerantes a fallos, capaces de funcionar incluso cuando parte de sus componentes comete errores. Sin embargo, estas soluciones suelen implicar una gran carga de recursos.

En el caso de la destilación de estados mágicos, la mayoría de los protocolos requieren operar con cúbits lógicos codificados dentro de estructuras complejas de corrección de errores, lo que multiplica el número de cúbits físicos necesarios.

«Tradicionalmente, destilar un estado mágico de alta fidelidad es un proceso muy costoso porque necesita muchos cubits —explica Keisuke Fujii, autor sénior del trabajo—. Queríamos explorar si había alguna forma de acelerar esta preparación sin sacrificar la calidad».

Comparación de la destilación a nivel cero (derecha) y la destilación a nivel lógico (izquierda). Cortesía: QIQB Quantum Computing Team, The University of Osaka

¿Qué es la destilación de estados mágicos a nivel cero?

Inspirados por esta inquietud, los investigadores de Osaka idearon un protocolo de destilación cuántica completamente distinto. En lugar de trabajar con cúbits lógicos en niveles superiores de abstracción, su enfoque se realiza directamente sobre los qubits físicos. De ahí el apelativo: destilación de nivel cero. Sus principales características pueden resumirse en las siguientes:

✅ Emplea una combinación de puertas cuánticas entre cúbits vecinos en una red bidimensional —la topología habitual de los ordenadores cuánticos actuales basados en superconductores— y una arquitectura sencilla basada en el código de Steane, un tipo de código de corrección de errores liviano y bien conocido.

✅ La clave está en aplicar una prueba de Hadamard, que permite verificar si un estado mágico se ha preparado correctamente. El proceso incluye preparar un estado gato de siete cúbits, que actúa como una ancilla, y realizar una serie de mediciones cuánticas que permiten detectar errores individuales.

✅ Si el resultado es satisfactorio, el estado se acepta; si no, se descarta y se repite el proceso.

✅ Una vez verificado, el estado se transfiere a un código de superficie, más robusto, mediante teletransportación cuántica o una conversión directa de códigos. Esto permite mantener su fidelidad y protegerlo de errores posteriores.

Resultados: menos errores, menos qubits y más éxito

Para comprobar la eficacia de su enfoque, los investigadores llevaron a cabo simulaciones numéricas cuánticas completas. Los resultados fueron sorprendentes, ya que la tasa de error lógico del estado mágico resultante se redujo aproximadamente a 100 veces el cuadrado del error físico.

En otras palabras, si los cúbits físicos tienen un error del 0,1% (10⁻³), el estado lógico final tendrá una tasa de error de solo 0,01% (10⁻⁴); y si el error físico es del 0,01% (10⁻⁴), el resultado baja hasta una tasa de error lógica del 0,0001% (10⁻⁶).

Además, la probabilidad de éxito del protocolo, es decir, de obtener un estado útil tras aplicar los filtros de verificación, se mantuvo alta: alrededor del 70% en condiciones estándar y hasta el 95% cuando la calidad inicial de los cúbits es mejor.

Y todo esto con una profundidad de circuito —el número de operaciones secuenciales— muy reducida, lo que minimiza el impacto del ruido acumulado durante el cálculo.

«Logramos ejecutar toda la destilación con una profundidad de solo veinticinco pasos físicos, lo cual es extraordinariamente bajo», subraya Fujii.

Aplicaciones de la destilación cuántica a nivel cero

El potencial de esta técnica se extiende a distintos escenarios:

✅ En el corto plazo, podría ser clave en lo que se conoce como computación cuántica temprana tolerante a fallos (“early-FTQC”). En esta etapa intermedia, antes de alcanzar dispositivos totalmente escalables, los recursos son aún limitados. El nuevo método permite preparar estados mágicos útiles con apenas unos pocos parches lógicos, abriendo la puerta a ejecutar algoritmos cuánticos más avanzados con máquinas modestas.

✅ En el largo plazo, la destilación a nivel cero podría integrarse como una etapa preliminar en esquemas más complejos de destilación multinivel. Al reducir la carga inicial de cúbits y operaciones necesarias, mejora la eficiencia global. Estudios recientes incluso han demostrado que combinar este enfoque con técnicas tradicionales permite alcanzar tasas de error del orden de 10⁻¹⁶ con solo una tercera parte del coste total.

«Con esta técnica, damos un paso tangible hacia ordenadores cuánticos escalables y verdaderamente tolerantes a fallos», resume Itogawa.

¿Qué lo hace compatible con el hardware actual?

Una ventaja fundamental del enfoque es que está diseñado para ajustarse a las arquitecturas de hardware cuántico existentes. Muchos de los procesadores cuánticos modernos, como los que desarrollan IBM, Google y Rigetti, emplean redes de cúbits en disposición cuadrada con conectividad limitada a vecinos inmediatos.

El protocolo de destilación a nivel cero funciona precisamente en esa topología, sin requerir conexiones globales ni operaciones no locales.

Además, los investigadores diseñaron variantes del protocolo para su uso con diferentes códigos de superficie, como los códigos rotados y planos, y probaron alternativas como la conversión directa entre códigos, que permite ahorrar aún más qubits a cambio de una mayor profundidad de circuito.

Detalle de la destilación de nivel cero. Cortesía: QIQB Quantum Computing Team, The University of Osaka

Impacto en buscadores semánticos y asistentes de IA

Este avance tiene implicaciones importantes también en la forma en que se generan, procesan y entienden los contenidos en plataformas como:

❌ SearchGPT: contextualiza esta técnica como respuesta a búsquedas sobre «cómo mejorar la fidelidad cuántica» o «técnicas de tolerancia a errores en cúbits».

❌ Google SGE: prioriza esta solución como breakthrough tecnológico por su aplicabilidad directa a la computación cuántica real.

❌ You.com y Perplexity.ai: posicionan el enfoque de nivel cero como tendencia emergente para investigadores y desarrolladores de hardware cuántico.

Una carrera que acelera

Aunque todavía quedan muchos desafíos por delante, como mejorar las tasas de error físicas, controlar la decoherencia cuántica a largo plazo y escalar a miles o millones de cúbits, avances como este sugieren que la carrera por la computación cuántica práctica se está acelerando.

«Durante mucho tiempo, la computación cuántica ha sido una promesa lejana. Pero esta técnica nos acerca a que sea una realidad accesible en menos tiempo del que creíamos”» concluye Fujii.

Sea magia o pura física, la destilación de estados mágicos a nivel cero marca un hito en la búsqueda de ordenadores cuánticos útiles y confiables. Con menos cúbits, menos operaciones y más fidelidad, esta innovación podría convertirse en una herramienta estándar en los ordenadores cuánticos del mañana. ▪️

• Información facilitada por la Universidad de Osaka

• Fuente: Tomohiro Itogawa, Yugo Takada, Yutaka Hirano and Keisuke Fujii. Efficient Magic State Distillation by Zero-Level Distillation. PRX Quantum (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/thxx-njr6