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Hito en física cuántica: Oxford logra el quadsqueezing

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Científicos de Oxford logran hito en física cuántica con la técnica de quadsqueezing

Un equipo de físicos de la Universidad de Oxford ha alcanzado un avance significativo en la frontera de la mecánica cuántica al lograr, por primera vez, una interacción denominada quadsqueezing. Este descubrimiento abre nuevas posibilidades en la manipulación de estados cuánticos y la comprensión de las interacciones a escala subatómica.

El logro se basa en un nuevo tipo de interacción cuántica realizada mediante el uso de un único ion atrapado. Según los informes técnicos, este proceso de quadsqueezing representa un salto en la capacidad de los investigadores para controlar la incertidumbre y la precisión en los sistemas cuánticos.

Este avance, descrito como un hito en la física cuántica, permite a los científicos explorar fronteras previamente inalcanzables, optimizando la forma en que se interactúa con las partículas la escala cuántica para mejorar la estabilidad y la eficiencia de los procesos informáticos y de medición del futuro.

La ciencia y la física cuántica nos ayudan a entender el universo. Sonia Fernández-Vidal, física
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Mejor comprensión de los sistemas cuánticos mediante el enrollamiento de Krylov

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Investigadores de la Universidad de California han descubierto una nueva forma de orden oculta dentro del comportamiento caótico de los sistemas cuánticos, un hallazgo que aporta nuevas perspectivas sobre cómo se propaga la información a las escalas más pequeñas. El estudio, publicado en Physical Review Letters, analiza cómo ciertas propiedades matemáticas, denominadas «Krylov winding» (enrollamiento de Krylov), pueden revelar una coherencia emergente en sistemas que anteriormente se consideraban aleatorios.

El concepto de Krylov winding y la evolución de la información

Los sistemas cuánticos suelen ser difíciles de comprender debido a que su comportamiento parece caótico mientras la información fluye a través de ellos. Sin embargo, la investigación revela que bajo este aparente desorden existe una estructura sutil y medible.

Para lograr este avance, los científicos utilizaron el concepto de crecimiento del operador, que describe la evolución de la información cuántica a lo largo del tiempo. En lugar de rastrear partículas de forma directa, analizaron objetos matemáticos llamados operadores que codifican la dinámica del sistema. A medida que estos operadores evolucionan, se desplazan a través de un espacio matemático abstracto conocido como espacio de Krylov.

El estudio determinó que este movimiento no es totalmente aleatorio, sino que presenta un comportamiento de «enrollamiento» que traza patrones indicativos de una coherencia subyacente. Este fenómeno, el Krylov winding, ocurre cuando la función de onda del operador adquiere una fase que se enrolla linealmente con el índice de Krylov.

Implicaciones y aplicaciones científicas

Según los resultados, el Krylov winding es una característica genérica de los sistemas cuánticos caóticos y es una consecuencia directa de la hipótesis del límite universal de crecimiento del operador. Este descubrimiento permite estudiar la evolución de los sistemas cuánticos incluso en regímenes donde las herramientas tradicionales resultan insuficientes.

La capacidad de cuantificar y predecir esta organización oculta, a pesar del desorden aparente, es fundamental para avanzar en la comprensión de diversas áreas, tales como:

  • El estudio de materiales.
  • La superconductividad.
  • Ciertos aspectos de la física de los agujeros negros.

Este avance coincide con la celebración del Día Mundial Cuántico, el 14 de abril de 2026, una fecha destinada a aumentar la conciencia pública y mejorar la comprensión de la ciencia y la tecnología cuántica.

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IBM crea molécula única con topología innovadora y la simula con computación cuántica

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YORKTOWN HEIGHTS, Nueva York – 5 de marzo de 2026 – Un equipo internacional de científicos de IBM (NYSE: IBM), la Universidad de Manchester, la Universidad de Oxford, ETH Zurich, EPFL y la Universidad de Regensburg ha creado y caracterizado una molécula diferente a cualquier otra conocida: una en la que sus electrones viajan a través de su estructura en un patrón helicoidal que altera fundamentalmente su comportamiento químico. Publicado hoy en la revista Science, se trata de la primera observación experimental de una topología electrónica de media banda de Möbius en una sola molécula.

Según los científicos, una molécula con esta topología nunca antes había sido sintetizada, observada o incluso predicha formalmente. Comprender el comportamiento de esta molécula a nivel de estructura electrónica requirió algo igualmente fundamental: una simulación cuántica de alta fidelidad.

Este descubrimiento avanza la ciencia en dos frentes. Para la química, demuestra que la topología electrónica –la propiedad que gobierna cómo se mueven los electrones a través de una molécula– puede ser diseñada deliberadamente, no simplemente encontrada en la naturaleza. Para la computación cuántica, es una demostración concreta de que una simulación cuántica puede hacer lo que fue diseñada para hacer: representar el comportamiento mecánico cuántico directamente, a escala molecular, para producir información científica que de otro modo permanecería fuera de alcance.

“Primero diseñamos una molécula que creíamos que se podía crear, luego la construimos y finalmente validamos sus propiedades exóticas con una computadora cuántica”, dijo Alessandro Curioni, IBM Fellow, Vicepresidente de Europa y África, y Director de IBM Research Zurich. “Este es un salto hacia el sueño planteado hace décadas por el renombrado físico Richard Feynman de construir una computadora que pueda simular mejor la física cuántica y una demostración de que, como él dijo, ‘Hay mucho espacio en lo pequeño’. El éxito de esta investigación señala un paso hacia esta visión, abriendo la puerta a nuevas formas de explorar nuestro mundo y la materia que lo compone.”

Una Molécula Nunca Antes Vista

La molécula, con la fórmula C₁₃Cl₂, fue ensamblada átomo por átomo en IBM a partir de un precursor personalizado sintetizado en la Universidad de Oxford, con átomos individuales eliminados uno a la vez utilizando pulsos de voltaje precisamente calibrados bajo un vacío ultraalto a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Experimentos con microscopía de túnel y microscopía de fuerza atómica, ambas técnicas pioneras en IBM, combinados con la computación cuántica, revelaron una configuración electrónica sin paralelo en los registros existentes de la química: una estructura electrónica que experimenta una torsión de 90 grados con cada circuito, requiriendo cuatro bucles completos para volver a la fase inicial.

Izquierda, una imagen de microscopía de túnel de la densidad orbital electrónica de la nueva molécula de media banda de Möbius; derecha, una imagen STM simulada de la densidad orbital de la molécula, que fue creada utilizando una computadora cuántica de IBM.

Esta topología de media banda de Möbius es cualitativamente distinta de cualquier molécula conocida y puede ser conmutada reversiblemente entre estados con torsión en el sentido de las agujas del reloj, con torsión en el sentido contrario a las agujas del reloj y sin torsión, lo que demuestra que la topología electrónica no es una propiedad que se descubre, sino que ahora puede ser diseñada deliberadamente en condiciones específicas.

Una Herramienta Científica Disruptiva: Supercomputación Centrada en lo Cuántico

Los científicos en este experimento crearon una molécula que nunca había existido. Ahora tenían que averiguar por qué funcionaba, una tarea que desafiaba a las computadoras convencionales. Los electrones dentro de C₁₃Cl₂ interactúan de maneras profundamente entrelazadas, cada uno influyendo en todos los demás simultáneamente. Modelar ese comportamiento requiere rastrear cada posible configuración de esas interacciones a la vez, lo que exige demandas computacionales que crecen exponencialmente y pueden abrumar rápidamente a las máquinas clásicas.

Las computadoras cuánticas son diferentes por naturaleza porque operan de acuerdo con las mismas leyes mecánicas cuánticas que gobiernan los electrones en las moléculas, y pueden representar estos sistemas directamente en lugar de aproximarlos. “Hablan” el mismo lenguaje fundamental que la materia que están diseñadas para estudiar y esa distinción, que antes era en gran medida teórica, ahora puede contribuir a resultados científicos concretos.

Esta capacidad ofrece un tremendo potencial para que las computadoras cuánticas respalden la experimentación en el mundo real con flujos de trabajo de supercomputación centrada en lo cuántico. Al integrar unidades de procesamiento cuántico (QPU), CPU y GPU, la supercomputación centrada en lo cuántico permite que los problemas complejos se dividan en partes que se orquestan y resuelven de acuerdo con las fortalezas de cada sistema, logrando lo que ningún paradigma computacional único puede ofrecer por sí solo.

Utilizando una computadora cuántica de IBM dentro de dicho flujo de trabajo, el equipo encontró orbitales moleculares helicoidales para la unión de electrones, una huella de la topología de media banda de Möbius. Además, la simulación a través de la computación cuántica ayudó a revelar el mecanismo detrás de la formación de la topología inusual: un efecto pseudo-Jahn-Teller helicoidal.

Este logro se basa en el largo legado de IBM en la nanociencia. El microscopio de túnel (STM) fue inventado en IBM en 1981, por el cual los científicos de IBM Gerd Binnig y Heinrich Rohrer fueron galardonados con el Premio Nobel en 1986. Su creación permitió a los investigadores visualizar superficies átomo por átomo. En 1989, los científicos de IBM desarrollaron el primer método confiable para manipular átomos individuales. En las últimas décadas, el equipo de IBM ha extendido estas técnicas para construir y controlar estructuras moleculares cada vez más exóticas.

CITAS DE LOS INVESTIGADORES

Dr. Igor Rončević, coautor del artículo, Profesor de Química Computacional y Teórica en la Universidad de Manchester:

“La química y la física del estado sólido avanzan encontrando nuevas formas de controlar la materia. En la segunda mitad del siglo XX, los efectos sustituyentes fueron muy populares. Por ejemplo, los investigadores exploraron cómo la potencia de un fármaco o la elasticidad de un material cambian si, por ejemplo, un metilo se reemplaza por cloro. El cambio de siglo nos trajo la espintrónica, introduciendo el espín del electrón como un nuevo grado de libertad para jugar y transformando el almacenamiento de datos. Hoy, nuestro trabajo muestra que la topología también puede servir como un grado de libertad conmutable, abriendo una nueva y poderosa ruta para controlar las propiedades de los materiales.”

“La topología no trivial de esta molécula, y el comportamiento exótico de muchos otros sistemas, surgen de las interacciones entre sus electrones. Simular electrones con computadoras clásicas es muy difícil: hace una década podíamos modelar exactamente 16 electrones, y hoy podemos llegar a 18. Las computadoras cuánticas son naturalmente adecuadas para este problema porque sus bloques de construcción, los qubits, son objetos cuánticos que reflejan los electrones. Usando la computadora cuántica de IBM, pudimos explorar 32 electrones. Sin embargo, lo más emocionante es que esto es solo el comienzo. El hardware cuántico está avanzando rápidamente, y el futuro es cuántico.”

Dr. Harry Anderson, coautor del artículo, Profesor de Química en la Universidad de Oxford:

“Es notable que la estructura de Lewis de C₁₃Cl₂ ya indique que es quiral, como lo confirman el experimento y los cálculos de química cuántica. También es sorprendente que los enantiómeros puedan interconvertirse aplicando pulsos de voltaje desde la punta de la sonda.”

Dr. Jascha Repp, coautor del artículo, Profesor de Física en la Universidad de Regensburg:

“Estoy muy emocionado de ser parte de un proyecto en el que el hardware cuántico hace ciencia real, no solo demostraciones. Es fascinante que una molécula tan pequeña pueda tener una estructura electrónica tan compleja que sea difícil de simular clásicamente, y que sea tan retorcida y extraña que casi te vuelve loco.”

Para obtener más información sobre esta investigación, lea el blog: Quantum simulates properties of the first-ever half-Möbius molecule, designed by IBM and researchers.

Acerca de IBM

IBM es un proveedor líder mundial de nube híbrida e IA, y servicios empresariales, que ayuda a los clientes en más de 175 países a capitalizar los conocimientos derivados de sus datos, optimizar los procesos empresariales, reducir los costos y obtener una ventaja competitiva en sus industrias. Miles de gobiernos y entidades corporativas en áreas de infraestructura crítica, como servicios financieros, telecomunicaciones y atención médica, confían en la plataforma de nube híbrida de IBM y Red Hat OpenShift para afectar sus transformaciones digitales de forma rápida, eficiente y segura. Las innovaciones revolucionarias de IBM en IA, computación cuántica, soluciones en la nube específicas de la industria y servicios empresariales ofrecen opciones abiertas y flexibles a nuestros clientes. Todo esto está respaldado por el legendario compromiso de IBM con la confianza, la transparencia, la responsabilidad, la inclusión y el servicio.

Para obtener más información, visite https://research.ibm.com.

Contacto de Prensa:

Erin Angelini
IBM Communications
Edlehr@us.ibm.com

Dave Mosher
IBM Research
dave.mosher@ibm.com

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Efecto Kondo: Nuevo hallazgo revela control del magnetismo cuántico

by Editor de Tecnologia
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A escalas minúsculas, la naturaleza se comporta de maneras que resultan casi contraintuitivas. Las partículas individuales siguen reglas simples, pero cuando interactúan entre sí, pueden surgir comportamientos completamente nuevos. Este comportamiento colectivo es el núcleo de la física de la materia condensada, un campo que intenta explicar por qué los materiales actúan de la manera en que lo hacen.

Uno de los ejemplos más desconcertantes e influyentes de este fenómeno es el efecto Kondo, una interacción cuántica que ha marcado décadas de investigación en magnetismo y materiales electrónicos.

Un nuevo estudio revela ahora que este famoso efecto no se comporta de la misma manera en todos los casos. En cambio, su resultado depende de algo sorprendentemente simple: el tamaño del espín de una partícula. Al construir y probar cuidadosamente un nuevo material cuántico, los investigadores han demostrado que el efecto Kondo puede cancelar el magnetismo o ayudar a que crezca, dependiendo de esta única propiedad. Este hallazgo redefine la comprensión científica del orden magnético a nivel cuántico y abre nuevas vías para el diseño de futuros materiales cuánticos.

Crystal structure and Kondo necklace model. (CREDIT: Nature)

¿Por qué es importante el comportamiento cuántico colectivo?

En la vida cotidiana, el magnetismo nos resulta familiar. Un imán de nevera se pega. Una aguja de brújula gira. Pero estas acciones simples ocultan un profundo origen cuántico. El magnetismo proviene de los espines de los electrones, una propiedad inherente que hace que las partículas se comporten como pequeños imanes de barra. Cuando los espines interactúan en gran número, pueden organizarse en patrones ordenados o cancelarse por completo.

En muchos materiales, los espines no actúan solos. Interactúan con los electrones móviles y entre sí al mismo tiempo. Estas interacciones pueden conducir a resultados inesperados, incluyendo la superconductividad y estados magnéticos exóticos. Entre ellos, el efecto Kondo ha desempeñado un papel central en la explicación del comportamiento de las impurezas magnéticas dentro de los metales.

Tradicionalmente, el efecto Kondo describe cómo un espín localizado se apantalla por los electrones circundantes. Con el tiempo, el momento magnético se desvanece a medida que los espines se unen en un estado no magnético y silencioso llamado singlete. Esta idea ha moldeado la forma en que los científicos piensan sobre el magnetismo en los sistemas cuánticos durante más de medio siglo.

Un rompecabezas de larga data en la física cuántica

Los materiales reales son complejos. Los electrones tienen carga, se mueven libremente y ocupan diferentes orbitales. Todos estos comportamientos se mezclan, lo que dificulta aislar las interacciones de espín puras detrás del efecto Kondo. Debido a esta complejidad, los científicos han confiado durante mucho tiempo en modelos teóricos simplificados para comprender la física subyacente.

Uno de esos modelos es el «collar Kondo», propuesto en 1977 por Sebastian Doniach. En lugar de centrarse en los electrones en movimiento, el modelo conserva solo los espines y sus interacciones. Este sistema simplificado se convirtió en una idea poderosa para estudiar las transiciones de fase cuánticas y el comportamiento colectivo. Sin embargo, durante casi cincuenta años, permaneció en gran medida teórico.

Una pregunta abierta importante persistía. ¿El efecto Kondo siempre suprime el magnetismo, o cambia su comportamiento cuando aumenta el tamaño del espín localizado? Responder a esa pregunta requería un material real que pudiera aislar los espines y permitir un control preciso de sus interacciones.

Emergence of Kondo-assisted Néel order in a Kondo necklace model. (CREDIT: Nature)

Construyendo un material cuántico a propósito

El avance llegó gracias a un marco de diseño molecular conocido como RaX-D. Este enfoque permitió a los investigadores controlar cómo se alinean las moléculas dentro de un cristal y cómo interactúan sus espines. Utilizando este método, el equipo construyó un sistema limpio, basado únicamente en espines, que coincidía estrechamente con el modelo de collar Kondo.

Trabajos anteriores ya habían logrado una versión con unidades de espín-1/2. En el nuevo estudio, los investigadores dieron el siguiente paso y aumentaron el espín localizado a espín-1. Este pequeño cambio marcó una gran diferencia.

Cuando el efecto Kondo cambia su papel

Las mediciones termodinámicas revelaron una clara transición de fase a medida que descendía la temperatura. En lugar de volverse no magnético, el material entró en un estado magnético ordenado. Los espines se alinearon en un patrón alternativo estable conocido como orden de Néel.

Un análisis cuántico más profundo explicó por qué. El acoplamiento Kondo entre unidades de espín-1/2 y espín-1 no canceló el magnetismo. En cambio, creó una interacción magnética efectiva entre los momentos de espín-1. Esa interacción se extendió por todo el material, bloqueando los espines en un orden de largo alcance.

Frequency dependence of ESR absorption spectra. (CREDIT: Nature)

Este resultado refuta una suposición profundamente arraigada. Se creía desde hace mucho tiempo que el efecto Kondo funcionaba principalmente como una fuerza que suprime el magnetismo. Los nuevos hallazgos muestran que cuando el espín localizado es mayor que 1/2, la misma interacción puede promover activamente el orden magnético.

Al comparar sistemas de espín-1/2 y espín-1 uno al lado del otro, los investigadores identificaron un límite cuántico claro. Para el espín-1/2, el efecto Kondo siempre forma singletes locales. Para el espín-1 y superior, estabiliza el magnetismo.

“Este descubrimiento revela un principio cuántico que depende directamente del tamaño del espín”, dijo Yamaguchi. “La capacidad de cambiar entre estados no magnéticos y magnéticos controlando el espín abre nuevas y poderosas posibilidades”.

Una nueva perspectiva sobre la materia cuántica

Este trabajo proporciona la primera evidencia experimental directa de que el papel del efecto Kondo cambia fundamentalmente con el tamaño del espín. También destaca la importancia de los sistemas limpios y bien controlados para descubrir reglas cuánticas básicas.

Al eliminar complicaciones como el movimiento de carga, los investigadores expusieron la física fundamental en juego. Sus resultados ofrecen una comprensión más clara de cómo las interacciones cuánticas compiten y cooperan dentro de los materiales.

El estudio fue publicado y añade una nueva base conceptual a la física de la materia condensada. Sugiere que muchas teorías existentes pueden necesitar ser revisadas cuando se aplican a sistemas con espines más grandes.

Temperature dependence of the specific heat Cp. (CREDIT: Nature)

Implicaciones prácticas de la investigación

Comprender cómo controlar el magnetismo a nivel cuántico tiene un valor práctico. El orden magnético afecta el ruido, la estabilidad y la coherencia en los dispositivos cuánticos. Poder diseñar materiales que cambien entre estados magnéticos y no magnéticos podría mejorar los sensores cuánticos, los sistemas de memoria y el hardware de computación.

Los hallazgos también ofrecen orientación para los ingenieros que trabajan en tecnologías basadas en espines. Al seleccionar materiales con tamaños de espín específicos, los investigadores pueden adaptar el comportamiento cuántico en lugar de luchar contra él.

Más ampliamente, el trabajo abre nuevos caminos para descubrir fases cuánticas que alguna vez se consideraron imposibles. A medida que los científicos exploran materiales con espines más altos, pueden descubrir estados de la materia que remodelan las tecnologías futuras.

Los resultados de la investigación están disponibles en línea en la revista Nature.

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Detectores cuánticos para rastrear materia oscura ligera

by Editor de Tecnologia
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Investigadores de la Universidad de Tokio y la Universidad de Chuo han propuesto una estrategia para identificar la materia oscura ligera utilizando una red de sensores cuánticos distribuidos.

Este desarrollo sugiere que los sistemas que se basan en efectos mecánicos cuánticos pueden utilizarse para detectar las débiles señales asociadas a partículas sub-GeV.

La estrategia permite a los físicos rastrear tanto la velocidad como la dirección de llegada de la materia oscura, proporcionando un nuevo enfoque para la investigación en física de altas energías.

“Nuestro método no requiere configuraciones experimentales específicas y puede aplicarse a cualquier tipo de detector de materia oscura siempre que los datos de los detectores puedan obtenerse cuánticamente”, afirmaron los investigadores en un nuevo estudio.

Requerimiento de diferentes métodos de detección

La materia oscura es un tipo de materia que no emite, absorbe ni refleja la luz, lo que la hace imposible de detectar utilizando tecnologías convencionales.

Si bien su presencia se infiere a través de sus efectos gravitacionales en las galaxias, su composición exacta aún no se ha verificado.

Una teoría sugiere que la materia oscura puede consistir en partículas ligeras con masas inferiores a 1 eV, que se comportan más como ondas que como partículas distintas.

Estas características requieren diferentes métodos de detección que los utilizados para candidatos de materia oscura más pesados.

Limitaciones de los métodos actuales

El equipo de investigación buscó combinar la ingeniería cuántica con la física de partículas para mejorar los protocolos de búsqueda existentes. “Proponemos un protocolo de medición para extraer esta información de los sensores utilizando estados cuánticos”, agregaron los investigadores.

En experimentos diseñados para detectar materia oscura pesada, los científicos suelen buscar pequeñas vibraciones o señales producidas cuando las partículas chocan con átomos o núcleos en un detector.

Hajime Fukuda, primer autor del estudio, declaró a Phys.org que, si bien medir la velocidad es posible para partículas pesadas, es difícil para la materia oscura ligera porque los investigadores generalmente utilizan la excitación de modos discretos, lo que no muestra la velocidad.

Implementación de detectores espacialmente extendidos

“Descubrimos que podemos medir la velocidad de la materia oscura ligera no midiendo señales espacialmente extendidas (trayectorias de retroceso) sino midiendo mediante detectores espacialmente extendidos”, explicó Fukuda.

La estrategia introducida utiliza un protocolo de medición cuántica en varios detectores de materia oscura. En lugar de buscar señales espacialmente extendidas o trayectorias de retroceso, los investigadores descubrieron que podían medir la velocidad utilizando detectores espacialmente extendidos.

Los datos recopilados de estos sensores se tratan como datos de sensores cuánticos, lo que permite a los investigadores extraer información sobre el movimiento de la materia oscura.

Ventajas y aplicaciones futuras

Este método tiene ciertas características que lo distinguen de diseños experimentales anteriores. Es más general porque no depende del tipo detallado de interacción de partículas, a diferencia de los métodos anteriores que se basaban en detectores alargados o matrices clásicas.

Además, las evaluaciones analíticas realizadas por el equipo indican que la sensibilidad de este enfoque de matriz cuántica es mayor que las alternativas clásicas.

Los investigadores creen que este enfoque se puede refinar para su aplicación en experimentos. También podría llevar a otros físicos a explorar la detección cuántica para el estudio de diversas partículas.

“En nuestros próximos estudios, también podríamos mejorar nuestro método e intentar medir no solo la velocidad sino también la distribución de la materia oscura mediante la matriz de sensores”, concluyó Fukuda.

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