Un estado cuántico que dura para siempre puede finalmente estar a nuestro alcance

Dicen que nada dura para siempre, pero ¿qué saben ellos? Claro, el paso de los años suaviza las tallas de las estatuas, los pigmentos de las pinturas se descascaran con el tiempo e incluso las fortalezas más formidables eventualmente colapsan. Pero todas esas son características del mundo a escala humana. Las cosas tienden a funcionar de manera un poco diferente en el ámbito cuántico.

Durante casi 70 años, los físicos han estado persiguiendo el sueño de la eternidad cuántica: una disposición de átomos colocados de manera que los estados cuánticos entre ellos queden congelados para siempre, como la luz que rebota en una interminable sala de espejos. Demostrar que algo así podría existir no sólo sería un hito científico increíble, sino que también sería muy útil. Los estados cuánticos que duran para siempre (o incluso durante mucho tiempo) podrían permitirnos crear estados de la materia completamente nuevos, algunos de los cuales podrían ser la base de nuevas y poderosas computadoras cuánticas. "Abriría una clase completamente nueva de fases que de otro modo serían imposibles", dice el físico matemático Wojciech De Roeck de la KU Leuven en Bélgica.

Sin embargo, hay una buena razón por la que la eternidad siempre ha parecido esquiva. La termodinámica, uno de los pilares centrales de la física teórica moderna, insiste en que los pequeños detalles de las cosas siempre, eventualmente, se borran. Y hasta hace poco, los esfuerzos de los físicos por estudiar la eternidad cuántica sólo habían servido para subrayar esta verdad aparentemente inevitable. Ahora, sin embargo, las cosas parecen estar cambiando y poderosos experimentos están insinuando que la eternidad puede no estar fuera de nuestro alcance.

Una de las reglas que gobierna la realidad es que las cosas tienden a complicarse más con el tiempo a menos que se gaste energía para intervenir. Esta es una perogrullada en la vida en general, pero también es una suposición clave que sustenta la termodinámica, la física del calor, el trabajo y la energía. Explica por qué verter leche en el café hace que nuestra taza adquiera un color beige cremoso y uniforme, incluso sin revolver. En términos más generales, la teoría dice que todos los sistemas eventualmente se termalizan, lo que significa que las diferentes partes de las cosas se mezclan en promedios.

Basado en esto, se podría pensar que nada podría durar para siempre. Pero en 1958, el físico Philip Anderson sugirió una sorprendente posible excepción en el mundo de los materiales. Para comprenderlo, imagine el interior de un material como una cuadrícula de diferentes tipos de átomos que pueden estar más o menos ordenados. Los cristales, por ejemplo, tienden a tener un patrón tridimensional de átomos estrictamente repetitivo, mientras que en otros materiales, como el vidrio, los átomos están muy desordenados. Los materiales también pueden tener partículas y ondas, como electrones o luz, que se mueven a través de ellos.

Anderson se imaginó tomando un cristal e introduciéndole algún desorden: impurezas, por ejemplo, o átomos ligeramente fuera de lugar. Pensó que habría ciertas disposiciones en las que un electrón que viajara como una onda dispersaría el desorden una y otra vez. Esas ondas dispersas se cancelarían tan completamente que el electrón no podría llegar a ninguna parte. La partícula quedaría atrapada, en un estado cuántico congelado en el tiempo, al menos hasta que el material mismo dejara de existir. Anderson demostró teóricamente que esto podía suceder y ganó una parte del Premio Nobel de Física en 1977. Décadas más tarde, los experimentos le dieron la razón, aunque en conjuntos simplificados de átomos donde las partículas no tiraban, empujaban ni intercambiaban energía como lo harían en el mundo real.

Sin embargo, Anderson especuló que su efecto se produciría en el desordenado mundo de los materiales reales, donde las partículas se empujan y tiran unas a otras. La idea de que una partícula atrapada podría evitar ser liberada y, en cambio, entrar en un estado congelado se conoció como localización de muchos cuerpos (MBL). "El caos debería estar en todas partes. Debería ser más o menos ineludible", afirma De Roeck. "Sin embargo, estos sistemas localizados en muchos cuerpos no presentan caos".

La seductora promesa de la eternidad llamó la atención de generaciones de físicos, pero no fue hasta 2006 que tuvimos el primer indicio serio de que MBL realmente podría ser posible. Los físicos Denis Basko de la Universidad de Princeton e Igor Aleiner y Boris Altshuler, ambos de la Universidad de Columbia en Nueva York, construyeron una descripción matemática de un material conductor a través del cual los electrones pueden deslizarse fácilmente. Luego demostraron matemáticamente que cambiar la estructura del material para que fuera más desordenado podría atrapar esos electrones, creando un MBL y transformando el conductor en un aislante eléctrico.

Esta no fue una demostración experimental, pero la estrella de MBL aun así surgió. Más importante aún, el trabajo sugirió que si pudiéramos crear un MBL real, cambiaría fundamentalmente las propiedades de los materiales, tal vez incluso generaría estados de la materia completamente nuevos. Un ejemplo es el “cristal del tiempo” ideado originalmente en 2012 por el físico Frank Wilczek, pero hay varios otros que podrían resultar útiles para todo tipo de tecnologías, desde el almacenamiento de información cuántica hasta relojes superprecisos (ver “Estados extraños”).

Sin embargo, lo que pasa con estos estados es que, aunque se han vislumbrado muchos, no duran mucho. Para que perduren, necesitaríamos realizar plenamente una MBL. “Así que ya se han explorado todas estas vías, pero sobre ellas se cierne una duda”, dice el físico matemático François Huveneers del King's College de Londres.

Avalanchas térmicas

En la última década, las dudas sobre MBL no han hecho más que profundizarse como resultado de hallazgos que abordan dos objeciones fundamentales a la idea. El primero tiene que ver con la escala: se puede conseguir MBL en un pequeño rincón de un material, pero la termodinámica ya permite que sus reglas se rompan en pequeños parches, pero no en general. Para que un MBL desafíe la termodinámica, tendría que sobrevivir en una gran pieza de material, y existe una enorme incertidumbre sobre si eso es posible. La segunda objeción es sobre el tiempo: puedes ver una localización durante 10 minutos, una hora, un día, pero ¿puedes garantizar que no desaparecerá si miras un segundo más?

En 2018, De Roeck y Huveneers hicieron un descubrimiento sobre el aspecto de escala de las cosas. Para obtener MBL, el desorden tiene que impregnar un material. Pero señalaron que, en realidad, siempre habrá parches pequeños e inusualmente limpios donde las partículas no se congelan, pero permanecen libres para moverse y compartir energía. Luego, De Roeck y Huveneers demostraron matemáticamente que los parches limpios podían alimentar energía a las regiones heladas, alterando la MBL. Este efecto se extendería rápidamente hasta que no quedaran estados cuánticos congelados. Llamaron a este mecanismo avalancha térmica y pareció arrojar serias dudas sobre si MBL podría sobrevivir en materiales reales.

Luego está la cuestión separada del tiempo. ¿Podrían existir mecanismos disruptivos de MBL que sólo surjan si se dejan el tiempo suficiente? En 2024, Nicolas LaFlorencie, Fabien Alet y Jeanne Colbois de la Universidad de Toulouse, Francia, identificaron un fenómeno conocido como resonancias que podría cumplir los requisitos. Los átomos de un material con MBL suelen permanecer encerrados en un conjunto específico de propiedades cuánticas. Aun así, esta cerradura rara vez es perfecta: esas propiedades aún varían ligeramente con el tiempo y, al hacerlo, el material podría toparse con una disposición completamente diferente que tenga exactamente la misma energía que su punto de partida. Cuando eso sucede, los dos estados pueden resonar o fusionarse, y este proceso puede socavar las prístinas regiones de MBL.

Probando la eternidad

Podría parecer que todo esto socava los cimientos de la eternidad cuántica. Pero los experimentos de los últimos años están empezando a contar una historia más esperanzadora. Gran parte de lo que los físicos saben sobre MBL proviene de modelos informáticos, pero esos modelos sólo pueden crecer hasta cierto punto antes de volverse demasiado complejos para manejarlos. La solución obvia sería llevar a cabo experimentos reales, pero esto siempre ha estado fuera de nuestro alcance. Para probar MBL adecuadamente, los físicos necesitan preparar estados cuánticos delicados, someterlos a un desorden controlado con precisión y observar su evolución sin eliminar el efecto. Sólo recientemente los experimentos con átomos ultrafríos, iones atrapados y qubits superconductores, los componentes básicos de las computadoras cuánticas, se han vuelto lo suficientemente precisos para el trabajo.

Ese cambio está comenzando a remodelar el campo. Tomemos, por ejemplo, un estudio de 2025 dirigido por Junhyeok Hur en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, que probó MBL en conjuntos reales de átomos ultrafríos que eran tan grandes como una cuadrícula de 24 por 24. "Este es un experimento en un sistema que tiene un tamaño y una escala de tiempo mayores que los que podemos lograr en las simulaciones", dice Alet, que no participó en el trabajo. Alet y LaFlorencie están trabajando en la vanguardia de las simulaciones por computadora, pero éstas comienzan a tener dificultades cuando alcanzan alrededor de dos docenas de partículas.

Hur y su equipo compararon dos tipos de desorden que podrían afectar su conjunto. En uno, a cada átomo se le asignó una energía completamente aleatoria. Esto produjo un paisaje moteado: regiones de fuerte desorden intercaladas con tramos inusualmente limpios, precisamente el tipo de parches raros que se cree que actúan como semillas de termalización. En el otro, el trastorno siguió un patrón casi aleatorio, lo que significa que estaba completamente libre de parches ordenados.

A medida que el equipo probó matrices sucesivamente más grandes, el contraste entre los dos tipos de desorden se hizo marcado. Con el desorden aleatorio, los sistemas más grandes necesitaban un desorden cada vez más fuerte para permanecer localizados, una señal de que MBL inevitablemente desaparecería a medida que los sistemas crecieran. Pero para el desorden cuasi periódico, el umbral apenas cambió a medida que las simulaciones se hicieron más grandes. La implicación es que estructurar el desorden de un material podría ayudar a estabilizar las MBL a medida que las escalas aumentan, dice Alet.

Amos Chan de la Universidad de Warwick, Reino Unido, uno de los que trabajó con Hur en el estudio, dice que aún no está claro qué impulsa la termalización en el caso de desorden aleatorio, si avalanchas, resonancias u otra cosa. Pero los datos más recientes que los investigadores han medido desde su artículo sólo generan confianza en que la localización puede persistir en conjuntos bidimensionales cuando el desorden se controla cuidadosamente, dice. Aunque no es una prueba definitiva de la MBL, muestra por qué es importante esta nueva generación de sistemas cuánticos experimentales: pueden probar si la MBL sobrevive a lo que podría destruirla: la escala.

Un segundo experimento, publicado poco después del de Hur y su equipo por el grupo de computación cuántica de Google, analizó sistemas con hasta 70 qubits superconductores. Descubrieron que, en condiciones de desorden moderado, el sistema se asentaba en un extraño estado intermedio: no del todo MBL, pero sí algo que resistía la termalización, conocido como vidrio cuántico.

Otros físicos están trabajando en otra línea de ataque que podría permitirnos finalmente precisar la existencia de estados MBL. Para entender esto, es útil pensar en cómo definimos los estados de la materia. Nadie prueba que un trozo de hierro sea un imán observando cada átomo que contiene durante el resto del tiempo. En cambio, observamos una propiedad de los átomos en un material llamado espín mecánico cuántico. Cuando se alinean suficientes espines, decimos que un material ha “cambiado de fase” y es un imán. Recientemente, Alet, LaFlorencie y otros han intentado encontrar una forma similar de definir una MBL.

Para ello, entran en el ámbito de los estados cuánticos abstractos. Consideran todas las propiedades cuánticas de cada átomo de un material y las trazan en un mapa multidimensional. En cada momento, el estado general del material estaría representado por un punto de este mapa y, con el tiempo, variaría explorando el terreno. Pero, lo que es más importante, Alet y LaFlorencie descubrieron en 2019 que un material que exhibiera MBL no haría esto. Estaría confinado a partes del mapa, congelado en pequeñas islas sin forma de explorar más allá de ellas. Este comportamiento se conoce como multifractalidad, y si un material se comportara de esta manera, significaría que estaba exhibiendo un estado MBL.

Desde 2019, los teóricos han trabajado para convertir esta idea en algo medible. En 2025, un artículo de David Logan del Instituto Tata de Investigación Fundamental de Mumbai y Sthitadhi Roy de la Universidad de Oxford expuso una posible prueba en un sistema de espines cuánticos. Prepare los giros siguiendo un patrón simple, como alternar hacia arriba y hacia abajo. Deje que el sistema evolucione y luego pregunte qué parte de ese patrón seguirá siendo visible más adelante. En un sistema de termalización ordinario, el patrón debería desaparecer, pero si hay MBL, parte del patrón debería sobrevivir obstinadamente. "La multifractalidad es atractiva porque está directamente relacionada con lo que los experimentos podrían observar", dice el teórico David Huse de la Universidad de Princeton. LaFlorencie dice que su grupo está comenzando a buscar esta huella digital este año utilizando átomos ultrafríos. “La idea es empezar a investigar experimentalmente esta dimensión multifractal”, afirma. "Es muy emocionante".

Por su parte, Huse todavía duda que estos experimentos sean el principio y el fin de todo. "Probablemente todavía estemos esperando grandes teoremas de física matemática que finalmente resuelvan todos estos desacuerdos", dice. Pero quizás eso no sea una gran sorpresa. Nadie dijo que el camino hacia la eternidad cuántica sería corto.

En 2012, al físico Frank Wilczek se le ocurrió la idea de un cristal del tiempo, un material cuya estructura varía no en el espacio, sino en el tiempo; en teoría, para siempre. Desde entonces, Nicolás Lorente, del Centro Internacional de Física de Donostia (España), y sus colegas han construido lo que se conoce como un cristal de tiempo discreto, un material real que se ajusta a la visión de Wilczek, excepto que dura apenas unos segundos como máximo. ¿Podríamos alguna vez construir un cristal del tiempo completo que siga y siga? El principal obstáculo es que esto dependería de que aprendiéramos a construir un material con localización de muchos cuerpos o MBL (ver artículo principal). Significaría que los cristales de tiempo podrían existir sin consumir energía, lo que los convertiría en una fase genuinamente nueva de la materia y, tal vez, en una forma exquisitamente estable de almacenar información cuántica o mantener el tiempo.

La misma lógica se aplica al menos a otros dos estados exóticos de la materia. Los aislantes topológicos son materiales que conducen corriente solo alrededor de sus bordes de una manera muy resistente a las impurezas, lo que los convierte en componentes fantásticos en electrónica de bajas pérdidas y computadoras cuánticas. Sin embargo, este estado de la materia debe mantenerse extremadamente frío para que funcione. Si pudiéramos descubrir cómo crear un MBL, eso podría ayudarnos a fabricar aislantes topológicos que funcionen a temperaturas mucho más cercanas a las cotidianas.

Luego están las cadenas de Kitaev, un estado de la materia que se comporta como un cable cuántico unidimensional. Estos también se consideran componentes útiles para las computadoras cuánticas, pero, nuevamente, tienden a funcionar solo a las temperaturas más bajas. Descubrir los secretos de un estado MBL podría ayudar a sostener los componentes de las computadoras cuánticas a medida que las cosas se calientan, haciendo que estas máquinas sean menos propensas a errores inducidos por el calor.

Temas:

ciencia de materiales / física cuántica