Ingeniería de Software Cuántico para Modelos de Ejecución Eficientes en Plataformas de Computación Cuántica Heterogéneas

• Autores: Jaime Alvarado Valiente
• Directores de la Tesis: José Manuel García Alonso (dir. tes.) , José Enrique Moguel Márquez (codir. tes.) , Miguel Angel Pérez Toledano (tut. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Extremadura ( España ) en 2026
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Mario G. Piattini Velthuis (presid.) , Jianjun Zhao (secret.) , Juan Hernández Núñez (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TESEO
• Resumen

  • La computación cuántica ha evolucionado desde ser una disciplina predominantemente teórica hasta convertirse en una realidad tecnológica emergente, con aplicaciones prometedoras en ámbitos como la optimización, la criptografía y la simulación. En la actualidad, los principales proveedores cloud ofrecen acceso a hardware cuántico real, y los procesadores cuánticos están incrementando rápidamente su capacidad tanto en número de cúbits como en conectividad. A pesar de estos avances, la adopción efectiva de la computación cuántica en sistemas reales sigue estando limitada por importantes desafíos en el ámbito del software, entre los que se incluyen la heterogeneidad del hardware, los ecosistemas específicos de cada proveedor, los modelos de programación de bajo nivel, los elevados costes de ejecución, los largos tiempos de espera en las colas y la ausencia de metodologías de ingeniería maduras comparables a las existentes en el desarrollo de software clásico.

    En este contexto, la Ingeniería del Software Cuántico ha emergido como un área de investigación clave orientada a reducir la brecha entre las tecnologías cuánticas y las prácticas consolidadas de la ingeniería del software. Este paradigma persigue proporcionar abstracciones, herramientas y procesos que faciliten el desarrollo, despliegue y mantenimiento de aplicaciones cuánticas, especialmente en entornos híbridos cuántico-clásicos. De esta manera, uno de los retos centrales abordados es la ejecución eficiente y escalable de cargas de trabajo cuánticas en plataformas heterogéneas de computación cuántica como servicio, donde los recursos son escasos, costosos y están sujetos a ruido y variabilidad.

    Esta tesis doctoral por compendio investiga cómo avanzar de forma sistemática en la Ingeniería del Software Cuántico en el contexto de las actuales plataformas de computación cuántica, acercando la computación cuántica a las prácticas consolidadas de la ingeniería del software clásico mediante mecanismos de abstracción, interoperabilidad, automatización y gestión escalable de recursos. En este sentido, el trabajo explora estrategias para reducir la fragmentación tecnológica entre proveedores mediante la adaptación de patrones arquitectónicos y conceptos de ingeniería procedentes de la computación clásica. En particular, se proponen capas de abstracción independientes del proveedor, mecanismos de traducción para la ejecución portable de circuitos y modelos de ejecución eficientes, con el objetivo de simplificar la integración en sistemas híbridos cuántico-clásicos.

    En concreto, la tesis presenta y evalúa: (i) un análisis sistemático de la heterogeneidad de las principales plataformas cuánticas y el diseño de una capa de acceso independiente del proveedor que abstrae los detalles específicos del hardware y facilita una selección informada del back-end; (ii) mecanismos y herramientas de traducción que permiten la ejecución portable y la interoperabilidad entre plataformas; (iii) estrategias de optimización a nivel de circuito que consolidan múltiples cargas de trabajo en tareas compartidas; y (iv) un modelo de ejecución híbrido y escalable que integra multi-programación con ejecución distribuida basada en la fragmentación de disparos (shots) entre múltiples procesadores. Estas propuestas han sido validadas sobre hardware cuántico real de distintos proveedores, logrando reducciones en el coste de ejecución de hasta un 95%, disminuciones superiores al 92% en el número de tareas enviadas y reducciones medias de más del 80-90% en el número de shots necesarios, manteniendo incrementos medios en la divergencia estadística de aproximadamente un 20%.

    En conjunto, esta tesis demuestra que la adaptación y extensión de principios consolidados de la ingeniería del software puede mejorar de forma significativa la viabilidad práctica y la sostenibilidad de la computación cuántica.