El experimento que revive al demonio de Maxwell y controla átomos individuales con precisión
Un nuevo experimento en Caltech convierte el movimiento térmico de átomos en información cuántica útil y logra por primera vez hiperentrelazamiento en partículas masivas, abriendo nuevas vías para la computación y simulación cuántica.
Fuente: ChatGPT / E. F.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 24.05.2025
En 1867, el físico James Clerk Maxwell planteó un experimento mental que se convertiría en uno de los más famosos de la historia de la física: un demonio capaz de clasificar partículas según su velocidad para violar la segunda ley de la termodinámica. Aunque aquella criatura imaginaria nunca existió, su espíritu sigue rondando los laboratorios del siglo XXI. Hoy, un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech) ha logrado algo que recuerda sorprendentemente a aquel demonio: controlar el movimiento térmico de átomos individuales para convertir el ruido en información útil.
Puede parecer ciencia ficción, pero es un avance real y medido. Un equipo dirigido por el físico Manuel Endres ha desarrollado una técnica que les permite enfriar, manipular y entrelazar el movimiento de átomos atrapados con láseres, y hacerlo con tal precisión que incluso lograron entrelazarlos en lo que se conoce como hiperentrelazamiento: un estado cuántico doble, en el que no solo se correlacionan sus estados internos, sino también su movimiento físico. Un logro sin precedentes en partículas masivas.
Convertir el desorden en herramienta cuántica
El movimiento de los átomos, ese molesto vaivén térmico que complica el trabajo de los físicos cuánticos, suele considerarse un problema. Pero en este experimento se ha convertido en una ventaja. Lo que normalmente se interpreta como “ruido” se ha aprovechado para almacenar y procesar información cuántica, ampliando así el repertorio de herramientas disponibles en computación y simulación cuántica.
Según explican los autores, han logrado enfriar átomos hasta dejarlos en lo que se conoce como estado de movimiento fundamental, es decir, el nivel más bajo de energía vibracional posible. A partir de ahí, utilizaron una técnica que convierte las excitaciones térmicas en errores localizados —algo que ellos llaman “conversiones de borrado”— y los corrigen activamente. "Esta técnica de enfriamiento recuerda al experimento mental de Maxwell, y se basa en la conversión de excitaciones en errores detectables y su posterior corrección activa", comentan los autores.
Manipulación cuántica de átomos individuales: el experimento usa trampas ópticas para enfriar, leer y entrelazar el movimiento de los átomos, combinando estados de espín y vibración para avanzar en el control de la información cuántica. Fuente: Science¿Qué es exactamente el hiperentrelazamiento?
El entrelazamiento cuántico no es nuevo. Desde hace décadas, los físicos han demostrado que dos partículas pueden mantenerse conectadas entre sí, aunque estén a kilómetros de distancia. Lo interesante aquí es que este nuevo experimento consigue entrelazar no una, sino dos propiedades simultáneamente: el estado electrónico del átomo (su energía interna) y su movimiento mecánico (su oscilación en el espacio).
Este doble entrelazamiento —llamado hyper-entanglement en inglés— no solo es una hazaña técnica. Permite almacenar más información por partícula, algo esencial para escalar futuros ordenadores cuánticos. Como explican en el paper: “Esto nos permite codificar más información cuántica por átomo”. Y añade: “Se obtiene más entrelazamiento con menos recursos”.
Además, esta es la primera vez que se consigue hiperentrelazamiento en partículas masivas, como átomos neutros. Anteriormente, estos efectos solo se habían observado en fotones, partículas sin masa.
Fuente: ChatGPT / E. F.Una herramienta nueva para computación y simulación
El experimento no se queda en un simple truco de laboratorio. Su utilidad va más allá de lo conceptual. Gracias a esta técnica, el equipo ha demostrado que pueden realizar lecturas intermedias de circuitos cuánticos, algo fundamental para implementar protocolos de corrección de errores y para medir sin destruir el estado cuántico de los sistemas.
También se abre la posibilidad de realizar simulaciones cuánticas más complejas, modelando sistemas físicos que son imposibles de estudiar con métodos clásicos. Los autores señalan que estos estados motionales podrían usarse para estudiar teorías de gauge en redes o implementar códigos de corrección cuántica bosónicos como el código GKP.
En este sentido, el trabajo es especialmente prometedor porque no necesita cambiar de especie atómica ni introducir complicaciones técnicas adicionales. Basta con manipular la profundidad de los "tweezers" ópticos (pinzas de luz que sujetan cada átomo) para dirigir la información. Esto lo hace potencialmente escalable.
Fuente: ChatGPT / E. F.El papel del demonio de Maxwell: más que una metáfora
Uno de los aspectos más llamativos del estudio es la reivindicación experimental de una idea filosófica. Cuando Maxwell propuso su demonio, muchos creyeron que era una paradoja sin consecuencias prácticas. Hoy, con pinzas ópticas, pulsos láser ajustados al nanosegundo y átomos ordenados en redes, ese demonio parece haber cobrado vida en forma de un sistema que mide el estado térmico de los átomos y actúa en consecuencia.
Endreds comenta que midieron el movimiento de cada átomo y aplicaron una operación dependiendo del resultado, átomo por átomo, de forma similar al demonio de Maxwell”. Esa referencia no es una licencia literaria, sino una descripción literal de lo que han hecho.
Lo más impactante es que esta detección y corrección se realiza sin alterar los átomos que están en el estado deseado, lo que permite mantener la coherencia del sistema y evita que el proceso de medición destruya la información cuántica. Un paso clave para la estabilidad de cualquier futuro computador cuántico funcional.
Entrelazamiento a distancia y coherencia prolongada
Después de enfriar y preparar los átomos, el equipo consiguió hacerlos oscilar como si fueran péndulos diminutos. Pero no se quedaron ahí. Fueron capaces de entrelazar los movimientos de dos átomos separados varios micrómetros. Más adelante, unieron ese movimiento al estado interno de cada uno, creando un sistema completamente hiperentrelazado. Así, cada átomo contenía dos bits cuánticos entrelazados: uno en su oscilación, otro en su energía electrónica.
La duración de estos estados también fue notable: el sistema mantuvo la coherencia cuántica de su movimiento durante unos 100 milisegundos, un tiempo largo en escalas cuánticas. Esto se logró, en parte, gracias a un protocolo tipo eco, similar al que se usa en experimentos de resonancia magnética para evitar interferencias del entorno.
Este nivel de control sugiere que estos sistemas podrían emplearse como memoria cuántica estable, o para implementar cómputos paralelos en los que cada átomo actúe como dos qubits simultáneos.
Una puerta abierta a múltiples aplicaciones
Las aplicaciones de esta tecnología todavía están por desarrollarse, pero el abanico es amplio. Desde computación cuántica más eficiente, pasando por medidas ultraprecisas en relojes atómicos, hasta nuevas formas de comunicación cuántica. El control simultáneo del movimiento y el estado interno de los átomos abre una dimensión extra en los procesadores cuánticos.
Tal como concluye el artículo original: “Los estados motionales podrían convertirse en un recurso poderoso para la tecnología cuántica, desde la computación hasta la simulación y las medidas de precisión”.
Además, este trabajo prepara el terreno para explorar conceptos aún más sofisticados, como el uso de múltiples grados de libertad por átomo o la implementación de protocolos de interferencia de dos copias cuánticas en un solo sistema.
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Referencias
Adam L. Shaw, Pascal Scholl, Ran Finkelstein, Richard B. S. Tsai, Joonhee Choi, Manuel Endres. Erasure cooling, control, and hyperentanglement of motion in optical tweezers, Science, 2025. DOI: 10.1126/science.adn2618.
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