YORKTON HEIGHTS, Nueva York – 5 de marzo de 2026 – Un equipo internacional de científicos de IBM, la Universidad de Manchester, la Universidad de Oxford, ETH Zurich, EPFL y la Universidad de Regensburg han creado y caracterizado una molécula como ninguna otra conocida anteriormente: una cuyos electrones viajan a través de su estructura en un patrón similar a un sacacorchos que altera fundamentalmente su comportamiento químico. Publicado hoy en Science, es la primera observación experimental de una topología electrónica de half Möbius en una sola molécula. 

Hasta donde saben los científicos, nunca antes se ha sintetizado, observado o siquiera predicho formalmente una molécula con tal topología. Comprender el comportamiento de esta molécula a nivel de estructura electrónica requirió algo igualmente fundamental: una simulación de computación cuántica de alta fidelidad.

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 que hace aquello para lo que fue diseñada: representar el comportamiento mecánico cuántico directamente, a escala molecular, para producir conocimiento científico que de otro modo habría permanecido fuera de nuestro alcance. 

“Primero, diseñamos una molécula que pensamos que podía crearse, luego la construimos y después la validamos, junto con sus propiedades exóticas, con una computadora cuántica”, dijo Alessandro Curioni, IBM Fellow, Vicepresidente para Europa y África y Director de IBM Research Zurich. “Este es un salto hacia el sueño trazado por el renombrado físico Richard Feynman hace décadas de construir una computadora que pueda simular mejor la física cuántica y una demostración donde, como él dijo, 'hay mucho espacio en el fondo'”. 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 contiene”.

Una molécula nunca antes vista 

La molécula, con la fórmula C₁₃Cl₂, se ensambló átomo por átomo en IBM a partir de un precursor personalizado sintetizado en la Universidad de Oxford, y los átomos individuales se eliminaron uno a uno utilizando pulsos de voltaje calibrados con precisión bajo un vacío ultra alto a temperaturas cercanas al cero absoluto. 

Experimentos con efecto túnel y microscopía de fuerza atómica, ambas técnicas iniciadas en IBM, combinadas con computación cuántica para revelar una configuración electrónica sin equivalente en los registros existentes de la química: una estructura electrónica que experimenta un giro de 90 grados en cada circuito, requiriendo cuatro bucles completos para regresar a la fase inicial. 

Esta topología de half Möbius es cualitativamente distinta de cualquier molécula conocida previamente y puede cambiarse reversiblemente entre estados torcidos en el sentido de las agujas del reloj, torcidos en el sentido contrario a las agujas del reloj y sin torcer, lo que demuestra que la topología electrónica no es una propiedad por descubrir, sino una que ahora puede diseñarse deliberadamente en condiciones específicas.

Una herramienta científica disruptiva: la supercomputación cuántica

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 formas profundamente enredadas, cada uno influyendo en todos los demás simultáneamente. Modelar ese comportamiento requiere rastrear cada configuración posible 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 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. 

Esta capacidad ofrece un enorme potencial para que las computadoras cuánticas respalden la experimentación en el mundo real con flujos de trabajo de supercomputación centrados en lo cuántico. Al integrar unidades de procesamiento cuántico (QPU), CPU y GPU, la supercomputación centrada en lo cuántico permite dividir problemas complejos en partes que se orquestan y resuelven según las fortalezas de cada sistema, logrando lo que ningún paradigma computacional 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 digital de la topología de half Möbius. Además, la simulación mediante 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 ciencia a nanoescala. El microscopio de efecto túnel de barrido (STM) fue inventado en IBM en 1981, por lo que IBM

Los científicos 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 confiable para manipular átomos individuales. En las últimas décadas, el equipo de IBM ha ampliado estas técnicas para construir y controlar estructuras moleculares cada vez más exóticas.

CITAS DE INVESTIGADORES

Doctor. 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 al encontrar 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 cambia la potencia de un fármaco o la elasticidad de un material si, por ejemplo, se reemplaza un metilo por cloro. El cambio de siglo nos trajo la espintrónica, que introdujo el espín del electrón como un nuevo grado de libertad con el que jugar y transformó el almacenamiento de datos. Hoy, nuestro trabajo demuestra 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 hasta 18. Las computadoras cuánticas son naturalmente adecuadas para este problema porque sus componentes básicos, los qubits, son objetos cuánticos que reflejan electrones. Utilizando la computadora cuántica de IBM, pudimos explorar 32 electrones. Sin embargo, lo más emocionante es que esto es sólo 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 indica que es quiral, como lo confirman el experimento y los cálculos químicos cuánticos. También es sorprendente que los enantiómeros se puedan interconvertir aplicando pulsos de voltaje desde la punta de la sonda”.

Dr. Jascha Repp, coautor del artículo, profesor de Física en la Universidad de Ratisbona: 

“Estoy realmente emocionado de ser parte de un proyecto donde el hardware cuántico hace ciencia real, no solo demostraciones. Es fascinante que una molécula diminuta pueda tener una estructura electrónica tan compleja que es difícil de simular de manera clásica, y es tan retorcida y extraña que casi te deja perplejo”.


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