Cómo se construyó la molécula más compleja de IBM: manipulación atómica y simulaciones cuánticas

El 5 de marzo, IBM presentó la primera molécula ‘half-Möbius’ construida con la ayuda de una computadora cuántica. El hallazgo, realizado en el laboratorio de investigación de la empresa IBM, marca un hito en la química topológica y ejemplifica el impacto de la computación cuántica aplicada a las ciencias físicas.

El equipo científico ensambló un anillo molecular donde los electrones exhiben una torsión geométrica inédita, creando una estructura que supera en complejidad al clásico lazo de Möbius. Este avance fue detallado en la revista científica Science y sumó confirmación experimental mediante las herramientas computacionales cuánticas más avanzadas de la compañía.

La síntesis de la molécula fue una tarea sin precedentes: hasta ahora, nadie había propuesto siquiera su existencia teórica. “El hecho de que la molécula fue sintetizada y no solo propuesta teóricamente tendrá gran impacto en la ciencia molecular”, afirmó Yasutomo Segawa, investigador del Instituto japonés de Ciencia Molecular, quien no participó del estudio.

Cómo se construyó la molécula: tecnología y manipulación atómica

Para lograr la singularidad del anillo ‘half-Möbius’, el grupo de IBM Research desplegó técnicas que ya son distintivas del laboratorio, famoso por su experiencia al manipular átomos. No es la primera vez que alcanzan reconocimiento: en 2013, el equipo se destacó al ensamblar átomos para crear el cortometraje A Boy and His Atom.

El proceso actual se basó en la capacidad de romper enlaces específicos y remover átomos concretos, forzando una molécula más compleja hasta obtener la forma deseada.

Visualizar el resultado requirió herramientas de gran precisión. El equipo imaged it with high-powered microscopy logró distinguir la nube de electrones distorsionada que define la nueva topología.

Para confirmar que este patrón coincidía con sus expectativas, recurrieron a simulaciones de computadora cuántica. Al comparar los modelos resultantes para la nueva molécula y para otra versión más sencilla y simétrica, determinaron que la molécula fue sintetizada tenía efectivamente una estructura ‘half-Möbius’.

¿Qué diferencia a la estructura ‘half-Möbius’ de las moléculas tradicionales?

La diferencia radica en la forma en la que los electrones ocupan el espacio alrededor del anillo molecular. En la clásica molécula tipo Möbius, la orientación de los lóbulos electrónicos cambia paulatinamente alrededor del anillo; tras un ciclo completo, el lóbulo se encuentra “invertido” respecto a su punto de partida.

Es decir, si una hormiga caminara sobre el lóbulo superior, tras dar una vuelta quedaría cabeza abajo y tras la segunda vuelta volvería a su posición original.

La versión ‘half-Möbius’ introduce una complicación adicional: gracias a nubes electrónicas en forma de cruz, el giro sobreviene tras un trayecto de cuatro vueltas alrededor de la estructura. La imagen provista por el equipo ilustra el concepto tomando como base una banda recortada y reenlazada tras un giro de 90 grados.

Así, el comportamiento cuántico resultante es más sofisticado y, según Leo Gross, científico de IBM Research, “en estos muy especiales condiciones” puede observarse. “En la naturaleza, estas moléculas nunca serían estables”, añadió el especialista.

La computadora cuántica como herramienta reveladora

Demostrar sin ambigüedades la naturaleza topológica del anillo exigió el uso de la tecnología más avanzada en simulación cuántica. El equipo simuló la dinámica de los electrones tanto con métodos clásicos como cuánticos.

Sin embargo, la computadora cuántica de IBM ofreció ventajas significativas gracias a su arquitectura basada en quantum bits, called qubits, que representan superposiciones de estados cuánticos y permiten cálculos mucho más complejos a menor coste computacional.

Tras diferentes pruebas, los científicos escalaron el número de qubits progresivamente —de dos a cuatro qubits hasta 100—, y observaron que las simulaciones sobre la nube electrónica mantenían coherencia a medida que aumentaba la complejidad, confirmando la comprensión de la estructura observada por el microscopio.

“En unos diez años pasamos de tener dos o cuatro hasta cien qubits”, resaltó Ivano Tavernelli, miembro del equipo. “Si mantenemos este ritmo, la evolución será notable”.

La relevancia del avance: aportes y perspectivas

El desarrollo del anillo ‘half-Möbius’ ilustra cómo la convergencia entre tecnologías de manipulación atómica y simulación cuántica permite explorar propiedades moleculares que, según los propios investigadores, “en la naturaleza nunca serían estables”.

El artículo publicado en Science recopila el impacto teórico y experimental de este avance, con potenciales aplicaciones en el estudio y diseño de nuevos materiales cuyas propiedades dependan de la topología electrónica.

El reporte original fue publicado por Joseph Howlett, periodista especializado de la revista Scientific American, con la edición de Lee Billings. Scientific American pertenece al grupo editorial Springer Nature y mantiene independencia editorial para la cobertura de descubrimientos científicos internacionales.