Investigadores de IBM y científicos crean una molécula inédita de naturaleza exótica en computación cuántica

Un equipo internacional de científicos de IBM, la Universidad de Manchester, la Universidad de Oxford, ETH Zurich, EPFL y la Universidad de Regensburg ha creado y caracterizado una molécula como ninguna otra conocida hasta ahora: sus electrones viajan a través de la estructura de la molécula en un patrón similar a un sacacorchos que altera fundamentalmente su comportamiento químico. Publicado en Science, este trabajo describe la primera observación experimental de una topología electrónica de half Möbius en una sola molécula.

Hasta donde saben los científicos, nunca antes se había sintetizado, observado o siquiera predicho formalmente una molécula con dicha topología electrónica. Comprender el comportamiento de esta molécula a nivel de estructura electrónica requería algo igualmente fundamental: una simulación de computación cuántica de alta fidelidad capaz de analizar con precisión cada propiedad de la molécula.

Simulación cuántica

El descubrimiento supone un avance científico en dos frentes. Para la química, demuestra que la topología electrónica —la propiedad que rige cómo se mueven los electrones a través de una molécula— puede diseñarse deliberadamente y no simplemente encontrarse en la naturaleza. Para la computación cuántica, es una demostración concreta de una simulación cuántica haciendo aquello para lo que fue diseñada: representar directamente el comportamiento de la mecánica cuántica, a escala molecular, para producir conocimiento científico que, de otro modo, habría permanecido fuera de nuestro alcance.

“Primero diseñamos una molécula que consideramos que se podía crear; después la construimos y finalmente la validamos, junto con sus propiedades exóticas, con un ordenador cuántico”, afirma Alessandro Curioni, IBM Fellow, vicepresidente para Europa y África y director de IBM Research Zurich. “Este es un gran paso hacia el sueño que expuso el renombrado físico Richard Feynman hace décadas: construir un ordenador capaz de simular la física cuántica de la mejor manera posible y una demostración donde, como él dijo, ‘hay mucho espacio en el fondo’”. El éxito de esta investigación marca un paso hacia esta visión, abriendo la puerta a nuevas formas de explorar el mundo y la materia que lo compone, incluida la comprensión profunda de cada molécula.

Una molécula nunca antes vista

La molécula, con la fórmula C₁₃Cl₂, se ensambló átomo por átomo en los laboratorios de IBM a partir de un precursor personalizado sintetizado en la Universidad de Oxford. Para construir la molécula, se eliminaron átomos individuales, uno a uno, mediante pulsos de voltaje calibrados con precisión en condiciones de ultraalto vacío y a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Los experimentos con microscopía de efecto túnel y de fuerza atómica —ambas técnicas pioneras de IBM— se combinaron con computación cuántica para revelar una configuración electrónica sin parangón en el registro existente de la química: una molécula con una estructura electrónica que experimenta un giro de 90 grados en cada circuito, requiriendo cuatro vueltas completas para regresar a la fase inicial.

Esta topología de half Möbius es cualitativamente distinta a la de cualquier molécula conocida previamente y puede alternarse de forma reversible entre estados con torsión en el sentido de las agujas del reloj, en el sentido contrario y sin torsión. Esto demuestra que la topología electrónica de una molécula no es solo una propiedad por descubrir, sino una que ahora puede diseñarse deliberadamente en condiciones específicas.

Una herramienta científica disruptiva

Los científicos de este experimento crearon una molécula que nunca había existido. Ahora debían descubrir por qué funcionaba, una tarea que desafió a los ordenadores convencionales. Los electrones dentro de la molécula C₁₃Cl₂ interactúan de formas profundamente entrelazadas, influyéndose todos entre sí de manera simultánea. Modelar ese comportamiento en una molécula requiere rastrear cada configuración posible de esas interacciones a la vez, lo que exige una capacidad computacional que crece exponencialmente y puede sobrepasar rápidamente a las máquinas clásicas.

Los ordenadores cuánticos son diferentes por naturaleza porque operan según las mismas leyes de la mecánica cuántica que gobiernan los electrones en las moléculas y pueden representar estos sistemas directamente en lugar de aproximarse a ellos. “Hablan” el mismo lenguaje fundamental que la materia que están diseñados para estudiar y esa distinción, antes en gran medida teórica, ahora puede contribuir a resultados científicos concretos.

Hasta donde saben los científicos, nunca antes se había sintetizado, observado o predicho una molécula con dicha topología electrónica

Esta capacidad ofrece un enorme potencial para que los ordenadores cuánticos respalden la experimentación en el mundo real mediante flujos de trabajo de supercomputación centrados en lo cuántico. Al integrar unidades de procesamiento cuántico (QPU), CPU y GPU, esta aproximación permite descomponer problemas complejos —como el comportamiento de una molécula— en partes que se orquestan y resuelven según las fortalezas de cada sistema, logrando lo que ningún paradigma de computación puede ofrecer por sí solo.

Estructuras moleculares más exóticas

Utilizando un ordenador cuántico de IBM dentro de dicho flujo de trabajo, el equipo encontró orbitales moleculares helicoidales para la unión de electrones, una huella dactilar de la topología de half Möbius en la molécula estudiada. Además, la simulación mediante computación cuántica ayudó a revelar el mecanismo detrás de la formación de esta inusual topología en la molécula: un efecto pseudo-Jahn-Teller helicoidal.

Este logro se basa en el largo legado de IBM en la ciencia a nanoescala. El microscopio de efecto túnel de barrido (STM) fue inventado por IBM en 1981, por lo que los científicos de IBM Gerd Binnig y Heinrich Rohrer recibieron el Premio Nobel en 1986. Su creación permitió a los investigadores obtener imágenes de superficies átomo por átomo. En 1989, los científicos de IBM desarrollaron el primer método fiable para manipular átomos individuales. Durante las últimas décadas, el equipo de IBM ha extendido estas técnicas para construir y controlar estructuras moleculares cada vez más exóticas, incluida esta extraordinaria molécula.