Cuando uno arruga una hoja de papel, no hace falta abrirla por completo para saber que ha sido deformada. Las marcas y pliegues que se forman en los bordes delatan lo que ha sucedido en el interior, aunque no lo veamos. Esta idea, tan cotidiana, ha servido como inspiración para una nueva herramienta de la física cuántica que busca desentrañar lo invisible observando lo visible, digna de pujar por entrar en el top 10. Y no es solo una metáfora bonita: es la base de un método real que permite medir el desorden interno de ciertos sistemas físicos complejos, mirando exclusivamente sus “bordes”.
Ese principio, tan visual como potente, se aplica ahora en un campo de frontera de la tecnología cuántica. Un equipo de físicos de la EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) y de la Universidad de Constanza ha desarrollado una serie de componentes cuánticos avanzados conocidos como arreglos acoplados de cavidades (CCAs, por sus siglas en inglés), utilizando una estructura que se comporta como un papel arrugado a escala cuántica. La clave de su avance está en el uso de niobio nitruro (NbN), un material con alta inductancia cinética, y en el diseño topológico del sistema que permite detectar y corregir irregularidades sin necesidad de ver directamente su interior.
Una arquitectura para manipular la luz a escala cuántica
En términos prácticos, los investigadores han conseguido miniaturizar significativamente las cavidades que componen sus sistemas cuánticos, gracias al uso del NbN. Este compuesto permite fabricar resonadores superconductores con una impedancia de unos 1,5 kΩ, lo que facilita su integración en circuitos más compactos y su conexión con otros elementos cuánticos como los cúbits.
El objetivo de estos dispositivos no es trivial. Están diseñados para realizar simulaciones cuánticas analógicas, una forma de experimentar con materiales y partículas cuánticas difíciles de estudiar en la realidad. Las cavidades funcionan como una especie de red artificial donde los fotones se comportan como si fueran electrones en un sólido, permitiendo explorar fenómenos como la localización cuántica, los estados ligados de fotón-átomo o la interacción luz-materia en regímenes extremos.
El diseño presentado en el paper se basa en resonadores de tipo LC con un tamaño de solo 50 × 75 micrómetros, lo que los hace unas 100 veces más pequeños que los convencionales de tipo CPW. A pesar de su tamaño, mantienen una altísima calidad interna, con tasas de disipación del orden de 100 kHz a 5 GHz, y permiten crear arreglos de hasta 100 cavidades sin perder estabilidad ni control.
La topología como herramienta de detección
Pero el verdadero salto conceptual no está solo en la compacidad del dispositivo, sino en la forma de analizar su funcionamiento. Los autores han introducido un enfoque basado en la topología para evaluar la calidad del sistema. En concreto, se inspiran en un modelo conocido como cadena SSH (por Su-Schrieffer-Heeger), un sistema físico que exhibe modos localizados en los extremos (edge modes) cuando está en una fase topológica no trivial.
Estos modos, llamados estados de borde o SSH edge modes, tienen una particularidad: aunque se concentran en los extremos de la cadena, su comportamiento está determinado por el estado general del sistema. Esto permite a los investigadores deducir qué ocurre en el interior —donde no pueden mirar directamente—, simplemente observando cómo se manifiestan los modos en los bordes.
Tal como se indica en el artículo original, “debido a la correspondencia entre el volumen y los bordes, los modos dentro de la banda también son sensibles al desorden que rompe la simetría quiral en el volumen de la CCA”.
El “medidor de desorden” que se basa en los bordes
A partir de esta lógica, los autores desarrollaron lo que llaman un “medidor de desorden inspirado en la topología”, un método que permite cuantificar las irregularidades introducidas durante la fabricación del dispositivo sin necesidad de desmontarlo o acceder a su interior. Este método se basa en medir la frecuencia de separación entre los modos de bordeen distintos tamaños de cadenas SSH, y compararlas con las predicciones teóricas en ausencia de desorden.
Una de las conclusiones más relevantes del estudio es que, incluso en los dispositivos más compactos, la dispersión de frecuencias obtenida es mínima. En palabras textuales del paper, se obtiene “una desviación en frecuencia de resonador de 0,22+0.04−0,03 %”. Este valor es extraordinariamente bajo para este tipo de sistemas y demuestra que la fabricación del CCA es precisa y confiable, incluso a escalas tan pequeñas.
Para confirmar estos resultados, los investigadores llevaron a cabo mediciones espectroscópicas y análisis estadísticos en un total de 26 dispositivos, fabricados en diferentes lotes. Simularon niveles crecientes de desorden e identificaron con precisión los niveles de ruido compatibles con las observaciones reales, confirmando así la eficacia del método topológico como herramienta de diagnóstico.
Un sistema versátil para múltiples aplicaciones
Más allá de la capacidad para medir desorden, los nuevos CCAs permiten realizar una ingeniería de bandas extremadamente precisa. Al variar el número de cavidades por celda (de 1 a 5), los investigadores crearon espectros con múltiples bandas de paso y bandas prohibidas, lo que es esencial para controlar la propagación de los fotones en la red.
Este control abre las puertas a fenómenos cuánticos más complejos como el acoplamiento ultrastrong entre fotones y átomos artificiales, la creación de estados ligados cerca de los bordes de banda, y la posibilidad de explorar modelos cuánticos de muchos cuerpos, como los de tipo spin-bosón o Frenkel-Holstein.
Además, la plataforma es compatible con la integración de qubits superconductores, lo que la convierte en una candidata idónea para sistemas híbridos de procesamiento cuántico. Su alta impedancia y compacidad permiten conectar múltiples qubits a una misma red de cavidades, incluso con fases retardadas no triviales, lo que es fundamental para estudiar la física de átomos gigantes.
Ver lo oculto sin mirar dentro
Lo que hace realmente innovadora esta tecnología es su capacidad para leer lo invisible desde los bordes, algo que parece sacado del pensamiento zen pero que tiene una base física rigurosa. En el contexto de los sistemas topológicos, esta idea no es una metáfora, sino una herramienta concreta: permite optimizar el diseño, reducir errores y avanzar en la fabricación de componentes cada vez más complejos y confiables para la computación cuántica.
Además, el enfoque tiene un potencial que va más allá de la plataforma presentada en este trabajo. Los autores sugieren que podría adaptarse a otros sistemas con fases topológicas protegidas por simetría, como cadenas de Kitaev o redes bidimensionales tipo grafeno, lo que ampliaría aún más su utilidad en investigación fundamental y en aplicaciones tecnológicas.
Tal como resumen los investigadores: “esta plataforma abre perspectivas emocionantes para la simulación cuántica analógica de física de muchos cuerpos con emisores acoplados en el régimen de acoplamiento ultrastrong”.
Referencias
- Vincent Jouanny, Simone Frasca, Vera Jo Weibel, Léo Peyruchat, Marco Scigliuzzo, Fabian Oppliger, Franco De Palma, Davide Sbroggió, Guillaume Beaulieu, Oded Zilberberg, Pasquale Scarlino. High kinetic inductance cavity arrays for compact band engineering and topology-based disorder meters. Nature Communications (2025) 16:3396. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58595-8.
Cortesía de Muy Interesante
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