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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.

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