Los Ángeles (California).- La computación cuántica promete resolver problemas inalcanzables para los superordenadores actuales, pero sus componentes fundamentales —los cúbits— son extremadamente frágiles.
El más mínimo ruido ambiental puede alterar sus estados y provocar errores que se acumulan rápidamente, comprometiendo la fidelidad de los cálculos. Para superar este desafío, una de las estrategias más prometedoras es la computación cuántica topológica, que busca codificar la información cuántica en propiedades geométricas resistentes al ruido.
En este contexto, los anyons —partículas que solo existen en ciertos materiales bidimensionales— ofrecen una vía esperanzadora. Los anyons de Ising han sido ampliamente estudiados por su posible presencia en estados inusuales, como el efecto Hall cuántico fraccionario y los superconductores topológicos.
Estas partículas permiten realizar operaciones cuánticas mediante «braiding», una técnica que consiste en moverlas unas alrededor de otras para ejecutar lógica cuántica.
Sin embargo, este enfoque tiene una limitación crítica: los anyons de Ising solo permiten realizar un subconjunto restringido de operaciones llamadas compuertas Clifford, insuficientes para construir un computador cuántico universal. Esta restricción ha sido un obstáculo significativo, hasta ahora.
En un nuevo estudio publicado en «Nature Communications», un equipo interdisciplinario liderado por investigadores de la Universidad del Sur de California (USC) ha descubierto una solución ingeniosa: añadir una nueva partícula al sistema, previamente descartada por la teoría convencional.
La han llamado «neglectón», en referencia a su condición de partícula olvidada y a su nueva relevancia fundamental. Con solo un neglectón inmóvil, rodeado por anyons de Ising en movimiento, es posible lograr computación cuántica universal únicamente mediante entrelazamiento o braiding.
Este avance parte de una nueva clase de teorías matemáticas llamadas teorías de campo topológico cuántico no semisimples (TQFT), que amplían el marco tradicional semisimple utilizado para describir anyons.
En los enfoques tradicionales, se descartan ciertos objetos con traza cuántica nula por considerarlos irrelevantes para la física. Pero el equipo liderado por el profesor Aaron Lauda descubrió que estos elementos despreciados son, en realidad, esenciales.
«Es como encontrar un tesoro en lo que todos consideraban basura matemática», afirmó Lauda, profesor de matemáticas, física y astronomía en el Colegio de Letras, Artes y Ciencias de USC Dornsife. Al mantener estos elementos en un marco no semisimple, apareció una nueva partícula teórica —el neglectón— que completa las herramientas necesarias para una computación cuántica universal basada en trenzado.
A diferencia de otros métodos que requieren mecanismos complejos de corrección de errores o múltiples tipos de cúbits, esta propuesta se basa en mantener inmóvil un solo neglectón mientras los anyons de Ising se entrelazan a su alrededor. El resultado es un sistema más sencillo y potencialmente más resistente a interferencias externas.
Lauda y su equipo enfrentaron complejos retos matemáticos para llegar a esta solución. El marco no semisimple viola un principio fundamental de la mecánica cuántica: la unitariedad, que garantiza la conservación de la probabilidad. En lugar de rechazar la teoría, los investigadores diseñaron un sistema que aísla estas irregularidades en zonas del espacio matemático que no afectan los cálculos reales.
Lauda lo explicó con una analogía.
«Es como construir un computador cuántico en una casa con habitaciones inestables. No necesitas arreglar todas las habitaciones, solo asegúrate de hacer tus cálculos en las partes seguras».
Este hallazgo no solo abre nuevas vías para la física teórica, sino que también tiene implicaciones prácticas inmediatas. El equipo ya trabaja en identificar materiales donde los neglectons puedan emerger de manera natural y en desarrollar protocolos que permitan llevar este modelo matemático al laboratorio.
De ser viable, se podrían construir computadoras cuánticas universales usando partículas que los físicos ya saben cómo producir.
El estudio fue realizado por un equipo multidisciplinario que incluye a Filippo Iulianelli y Sung Kim de USC, y Joshua Sussan del Medgar Evers College, parte de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY).
Fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos y la Fundación Simons, entre otras instituciones.
En palabras de Lauda: «Lo más emocionante es que este trabajo nos acerca a la computación cuántica universal usando partículas que ya sabemos crear. Es un puente entre las matemáticas puras y la tecnología del futuro».
