Explorando topología no trivial en la criticidad cuántica en un procesador superconductivo

Por qué las fluctuaciones cuánticas importan para la tecnología del futuro

Materiales cotidianos como los imanes y los superconductores deben sus comportamientos extraños a un número enorme de diminutas partículas cuánticas que actúan en conjunto. Durante mucho tiempo, los físicos han usado este comportamiento colectivo para clasificar diferentes “fases” de la materia, como sólidos y fluidos, o estados más exóticos que solo conducen electricidad en sus bordes. Este artículo explora un tipo especialmente sutil de fase cuántica que se sitúa precisamente en un punto de inflexión entre dos formas de orden. Usando un gran procesador cuántico superconductivo, los investigadores muestran que incluso en ese delicado punto de equilibrio sobreviven patrones ocultos de organización que podrían aprovecharse como recurso para tecnologías cuánticas.

Un nuevo tipo de orden en el punto de inflexión

Tradicionalmente, las fases de la materia se distinguen por si alguna simetría del sistema está rota—por ejemplo, cuando un imán escoge una dirección preferida. Más recientemente, los científicos descubrieron fases “topológicas”, donde la información crucial no se almacena en ningún patrón local sino en rasgos globales del estado cuántico y su entrelazamiento. Se suele pensar que estas fases dependen de una brecha de energía que las protege de perturbaciones. El trabajo descrito en este artículo desafía esa intuición al centrarse en un modelo sin brecha en un punto crítico cuántico especial, donde el sistema se encuentra entre una fase ordenada magnéticamente ordinaria y una fase topológica. La teoría predice que, a pesar de la ausencia de una brecha, este punto crítico conserva características robustas en los bordes que lo distinguen de un sistema crítico más convencional.

Construyendo un anillo cuántico de 100 qubits

Para sondear estos efectos delicados, el equipo usa un procesador superconductivo flip-chip que contiene 125 qubits, de los cuales 100 se configuran en un anillo unidimensional. Cada qubit puede controlarse y leerse de forma individual, mientras que pares de vecinos están conectados por acopladores sintonizables que implementan puertas de entrelazamiento precisas. En lugar de diseñar directamente las interacciones de muchos cuerpos del modelo objetivo, los investigadores adoptan una estrategia variacional: diseñan una secuencia compacta de puertas cuánticas cuyos ángulos de rotación ajustables se optimizan en un ordenador clásico para sistemas pequeños. Aprovechando la estructura uniforme del modelo, extrapolan entonces esta receta a anillos mucho más grandes, preparando estados cuánticos de baja energía que aproximan de cerca al estado fundamental y al primer estado excitado en el punto crítico sin tener que afinar un circuito de 100 qubits directamente en el dispositivo.

Leyendo patrones ocultos de entrelazamiento

Aunque estos estados preparados tienen energía muy baja, no exhiben perfectamente todas las sutiles características de largo alcance de un sistema infinito ideal. Para revelar la estructura subyacente, los autores recurren a una técnica llamada tomografía del Hamiltoniano de entrelazamiento. Miden repetidamente diferentes segmentos del anillo de 100 qubits de muchas maneras cuidadosamente seleccionadas y luego usan optimización clásica para reconstruir un “Hamiltoniano de entrelazamiento” efectivo que captura cómo cada segmento está ligado cuánticamente al resto del sistema. A partir de este objeto reconstruido pueden calcular huellas estándar del comportamiento crítico, como cómo decaen con la distancia las correlaciones entre espines y cómo crece la entropía de entrelazamiento de un bloque con su tamaño. Los números extraídos coinciden con las expectativas teóricas para la misma clase de universalidad que el conocido modelo de Ising, confirmando que el experimento ha alcanzado efectivamente el régimen crítico cuántico previsto.

Descubriendo modos tipo borde sin bordes reales

Los resultados más llamativos provienen del examen del espectro de entrelazamiento, que ofrece una visión refinada de cómo se organiza la información cuántica en un subsistema. La teoría predice que, para este modelo crítico en particular, el espectro de entrelazamiento debe mostrar una degeneración robusta de dos por uno asociada a modos emergentes de borde, aunque el sistema físico sea un anillo cerrado sin fronteras reales. Usando sus matrices de densidad reconstruidas, los investigadores calculan este espectro para segmentos de distintas longitudes y observan la estructura por pares esperada en los niveles más bajos en todos los casos. A medida que los segmentos crecen, el patrón se afina hasta formar una disposición en torre característica de teorías conformes de campo, revelando una conexión profunda entre el comportamiento crítico del volumen y rasgos tipo frontera codificados únicamente en el entrelazamiento.

Qué significa esto para la materia cuántica y las máquinas cuánticas

En términos sencillos, el estudio muestra que ciertos tipos de orden topológico pueden sobrevivir justo en el umbral de una transición de fase, en sistemas sin la habitual brecha de protección energética. Al preparar ingeniosamente estados accesibles de baja energía en un procesador cuántico programable pero ruidoso, y luego usar reconstrucciones basadas en el entrelazamiento para “ver a través” de las imperfecciones experimentales, los autores aportan evidencia experimental de que estos estados críticos albergan modos cuánticos ocultos, análogos a bordes. Esto sugiere que los simuladores cuánticos futuros no siempre necesitarán alcanzar estados fundamentales inmaculados para revelar física rica: estados cuidadosamente seleccionados de baja energía, combinados con herramientas de análisis inteligentes, pueden ya codificar la información universal esencial sobre fases cuánticas exóticas y sus transiciones.

Cita: Tan, Z., Wang, K., Yang, S. et al. Exploring nontrivial topology at quantum criticality on a superconducting processor. Commun Phys 9, 136 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02569-9

Palabras clave: transiciones de fase cuánticas, orden topológico, espectro de entrelazamiento, qubits superconductores, simulación cuántica