Publicado en Science, el descubrimiento marca la creación y observación de la primera molécula con una topología electrónica de 'half Möbius'

Un equipo de científicos de IBM, la Universidad de Manchester, la Universidad de Oxford, ETH Zurich, EPFL y la Universidad de Regensburg han creado una molécula cuyos electrones viajan a través de su estructura en un patrón similar a un sacacorchos, lo que altera fundamentalmente su comportamiento químico. De esta forma, se trata de la primera observación experimental de una topología electrónica de 'half Möbius' en una sola molécula.

Según diferentes científicos, hasta ahora no se había sintetizado, observado o predicho formalmente una molécula con dicha topología. Comprender el comportamiento de esta molécula a nivel de estructura electrónica requería algo igualmente fundamental: una simulación de computación cuántica de alta fidelidad, tal y como informan desde IBM.

El descubrimiento supone un avance científico en dos frentes: por un lado, para la química, demuestra que la topología electrónica (la propiedad que rige cómo se mueven los electrones a través de una molécula) puede ser diseñada deliberadamente y no simplemente encontrarse en la naturaleza; por otro lado, 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.

El vicepresidente para Europa y África y director de IBM Research Zurich, Alessandro Curioni, explicó que “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”. Asimismo, el vicepresidente señaló que “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”.

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 ello, se eliminaron átomos individuales, uno a uno, mediante pulsos de voltaje calibrados con precisión en condiciones de ultra-alto vacío y a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Los experimentos con microscopía de efecto túnel y de fuerza atómica, ambas técnicas de IBM, se combinaron con computación cuántica para revelar una configuración electrónica sin parangón en el registro existente de la química: 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 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 no es una propiedad por descubrir, sino una que ahora puede ser diseñada deliberadamente en condiciones específicas, aseguran desde la empresa.

Tras la creación de la molécula, los científicos estudiaron por qué funcionaba, lo cual desafió a los ordenadores convencionales. Esto se debe a que los electrones dentro de C13Cl2 interactúan de formas profundamente entrelazadas, influyéndose todos entre sí de manera simultánea. Modelar ese comportamiento 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.

Esto permite 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 en partes que se resuelven según las fortalezas de cada sistema, logrando lo que ningún paradigma de computación puede ofrecer por sí solo, tal y como explican desde IBM en una nota de prensa.

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'. Además, la simulación mediante computación cuántica ayudó a revelar el mecanismo detrás de la formación de esta inusual topología: un efecto pseudo-Jahn-Teller helicoidal.