El Año Internacional de la Cuántica y la década por venir

Un Editorial de Physical Review X Quantum Anunciando el Lanzamiento de la Colección IYQ

En el verano de 1925, en la isla de Helgoland, azotada por el viento, el joven Werner Heisenberg esbozó unas ecuaciones matriciales que cambiarían para siempre nuestra comprensión de la naturaleza. El trabajo simultáneo de Erwin Schrödinger, que postuló una teoría complementaria de ecuaciones ondulatorias y demostró su equivalencia con el formalismo matricial de Heisenberg, ayudó a la comunidad científica a adoptar gradualmente los conceptos contraintuitivos a los que se enfrentaba en aquel momento. Juntos, estos principios revolucionarios se convirtieron en la piedra angular de la mecánica cuántica, una teoría que, a lo largo del siglo siguiente, se enfrentaría a un escrutinio implacable [1] y que, en última instancia, serviría de base para las tecnologías capaces de manipular átomos y fotones individuales [2,3]. Hoy, mientras el mundo asiste al desarrollo de los ordenadores cuánticos y lidia con sus implicaciones [4], la UNESCO ha declarado 2025 Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas.

Para celebrar este hito, la APS y las revistas Physical Review reflexionan sobre su viaje compartido con la ciencia cuántica: un viaje de descubrimientos asombrosos e ideas transformadoras [5]. Pero, ¿qué papel desempeña una revista joven como PRX Quantum en esta trascendental celebración?

Cualquier historiador diría que comprender el pasado es esencial para forjar el futuro. En PRX Quantum, buscamos constantemente avances que redefinan los límites y abran nuevas fronteras. Para rendir homenaje a los 100 años de mecánica cuántica, presentamos una colección especial. Comienza con una perspectiva histórica [6] que explora la intrincada danza entre la ciencia fundamental y su vástago tecnológico. Partiendo de esta perspectiva, examinamos nuestras publicaciones recientes y seleccionamos un puñado de artículos que ofrecen una visión del futuro del campo.

El camino hacia la realización de experimentos mentales centenarios -que Schrödinger comparó en su día con esfuerzos tan tontos como intentar criar Ictiosaurios en el zoo- requirió innumerables e ingeniosos avances técnicos y conceptuales. Este fascinante viaje se recoge en el cautivador artículo del Prof. Haroche [6], que destaca el papel central que han desempeñado los láseres en la ciencia cuántica.

Como señala el Prof. Haroche, estamos asistiendo a un renacimiento de la investigación sobre los átomos de Rydberg. La computación cuántica con átomos neutros, destacada en nuestras últimas publicaciones, está a punto de influir significativamente en este campo en los próximos años. Sorprendentemente, el vástago del láser, las pinzas ópticas [7,8], se ha convertido en una herramienta omnipresente que impulsa muchos avances en este campo. Destacamos las técnicas para ensamblar matrices de átomos [9], una arquitectura para construir eficazmente un ordenador cuántico a gran escala tolerante a fallos [10], y estrategias para alcanzar rendimientos récord [11]. En conjunto, estos resultados muestran un camino convincente hacia el futuro.

Los qubits superconductores [12], piedra angular de muchas arquitecturas de computación cuántica, surgieron como un sistema alternativo que se inspiró en gran medida en los éxitos de la QED de cavidades con sistemas atómicos. Ofrecen una velocidad y practicidad superiores gracias a su integración en la electrónica de microondas estándar. Aunque los transmones siguen siendo el paradigma dominante de los qubits superconductores, existe un interés creciente por un primo relacionado, el qubit de fluxonio. Con su excepcional coherencia y alta anarmonicidad, que ofrecen una mayor flexibilidad en el diseño de circuitos, el fluxonio es muy prometedor. Prevemos avances apasionantes en este campo [13,14].

El panorama cuántico es vasto y ofrece un patio de recreo de plataformas y sistemas físicos para explorar cuestiones fundamentales o perseguir aplicaciones específicas. Aunque es imposible abarcar todas esas vías, el artículo del Prof. Haroche nos ha inspirado para destacar los últimos avances en fotónica integrada [15], dado el papel fundamental de la óptica en la investigación cuántica. Al fin y al cabo, los fotones permitieron la violación de las desigualdades de Bell, mostrando una de las características más distintivas de la mecánica cuántica [16–18]. Asimismo, el enfriamiento y el atrapamiento ópticos han dado lugar a algunas de las demostraciones más sorprendentes de los principios estadísticos cuánticos, sobre todo la aparición de los condensados de Bose-Einstein [19,20]. No hemos podido resistirnos a ofrecer un vistazo a los últimos avances en química cuántica controlada con moléculas polares ultrafrías [21].

En décadas anteriores, la atención se centraba en controlar sistemas cuánticos individuales. Los retos actuales consisten en gestionar las interacciones, aumentar el tamaño de los sistemas y verificar el estado de grandes sistemas u operaciones cuánticas. Otra tendencia observada en nuestra revista es el desarrollo de herramientas teóricas para la tomografía eficiente [22], y las exploraciones sobre la mejor manera de aunar el procesamiento cuántico y el aprendizaje automático dentro de las teorías formalizadas de la informática [23].

Siguen pendientes varias cuestiones fundamentales sobre los ingredientes clave, y la mezcla correcta, necesarios para hacer que un procesador sea verdaderamente cuántico -o, a la inversa, que pueda simularse eficientemente de forma clásica [24]. Nuestra revista reflexiona sobre la continua avalancha de algoritmos innovadores, elecciones arquitectónicas inteligentes y técnicas híbridas que avanzan constantemente hacia el objetivo general de la informática cuántica tolerante a fallos. Los circuitos cuánticos adaptativos son un ejemplo de ello. Aprovechando las mediciones en mitad del circuito y la retroalimentación, un enfoque prometedor muestra cómo preparar eficientemente estados entrelazados de muchos cuerpos incluso en hardware de baja profundidad a corto plazo [25].

La corrección de errores desempeña un papel fundamental en el fortalecimiento de la confianza de la comunidad cuántica hacia la viabilidad de construir una máquina cuántica a gran escala [26,27]. Su historia es tan fascinante como decisiva para impulsar la inversión mundial en ciencia y tecnología cuánticas. La investigación en esta área de rápido desarrollo abarca un vasto espectro, desde el diseño de códigos altamente matemáticos y abstractos hasta soluciones integradas en hardware e impulsadas por la ingeniería. Como pequeña muestra de los avances recientes, destacamos tres contribuciones sobresalientes: una ingeniosa implementación del código Steane distintivo en trampas de iones [28]; un protocolo que simplifica la implementación de códigos de comprobación de paridad de baja densidad (LDPC) [29]-una alternativa eficiente en recursos a los códigos de superficie-; y un estudio fundamental que se inspira en la corrección topológica de errores para profundizar en nuestra comprensión de las fases de la materia [30].

Como ya propuso Shannon hace tiempo, los conceptos clave de la teoría de la información están profundamente relacionados con nociones de la termodinámica, como la entropía. La conexión entre estos campos -y el papel del conocimiento en la termodinámica- tiene una rica historia [31], siendo un ejemplo notable la resolución de la paradoja del demonio de Maxwell [32]. Al mismo tiempo, la mecánica cuántica es fundamentalmente una ciencia de la información. No podíamos concluir esta colección sin destacar las fascinantes ideas que surgen en la intersección de estas disciplinas. Los recientes avances en termodinámica cuántica refuerzan aún más esta conexión, vinculando conceptos de la complejidad computacional al estudio del coste de las operaciones térmicas [33]. Estos costes tienen profundas implicaciones para las tecnologías cuánticas [34] y también están ligados a límites de precisión fundamentales, como demuestra una novedosa metodología que examina las compensaciones en sistemas cuánticos abiertos markovianos en desequilibrio [35].

Muchos descubrimientos surgen de conexiones inesperadas. Esperamos que esta colección curada despierte la inspiración y la perspicacia, ya sea a través de los métodos experimentales y teóricos que muestra o de las ideas conceptuales que avanza. Esta colección no es más que una instantánea, que recoge algunas de las investigaciones más convincentes publicadas en nuestras páginas en los últimos meses. El alcance de PRX Quantum y de la investigación cuántica se extiende mucho más allá de lo que podríamos incluir aquí. El bosque de la ciencia cuántica está formado por muchos árboles y hay muchos frutos por recoger en sus variadas ramas, como los sensores cuánticos, la metrología y las comunicaciones, que dejamos para futuros focos. Esperamos con impaciencia los avances que haréis en éstas y otras áreas, dando forma a la próxima década de ciencia y tecnología cuánticas.

Referencias (35)

1. Entre las múltiples pruebas, se ha verificado experimentalmente la propia linealidad de las ecuaciones de Shrödinger, como se muestra aquí: J. J. Bollinger, D. J. Heinzen, Wayne M. Itano, S. L. Gilbert y D. J. Wineland, Test of the linearity of quantum mechanics by rf spectroscopy of the 9Be+ ground state, Phys. Rev. Lett. 63, 1031 (1989) .
2. Serge Haroche, Conferencia Nobel: Controlar fotones en una caja y explorar la frontera entre lo cuántico y lo clásico, Rev. Mod. Phys. 85, 1083 (2013) .
3. David J. Wineland, Conferencia Nobel: Superposición, entrelazamiento y elevar el gato de Schrödinger, Rev. Mod. Phys. 85, 1103 (2013) .
4. Ivan H. Deutsch, Aprovechar el poder de la segunda revolución cuántica, PRX Quantum 1, 020101 (2020).
5. Consulta una colección de Hitos Cuánticos publicados por la revista Physics Magazine a lo largo de 2025, y una próxima colección sobre fundamentos cuánticos organizada por las revistas Physical Review.
6. S. Haroche, Láser, vástago y poderoso habilitador de la ciencia cuántica, PRX Quantum 6, 010102 (2025).
7. A. Ashkin, Aceleración y atrapamiento de partículas por presión de radiación, Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970) .
8. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm y Steven Chu, Observación de una trampa óptica de fuerza de gradiente de haz único para partículas dieléctricas, Opt. Lett. 11, 288 (1986) .
9. M. A. Norcia, H. Kim, W. B. Cairncross, M. Stone, A. Ryou, M. Jaffe, M. O. Brown, K. Barnes, P. Battaglino, T. C. Bohdanowicz et al., Ensamblaje iterativo de matrices de átomos de 171Yb con celosías ópticas mejoradas por cavidad, PRX Quantum 5, 030316 (2024).
10. Yiyi Li y Jeff D. Thompson, Interconexiones modulares de alta velocidad y alta fidelidad entre procesadores cuánticos de átomos neutros, PRX Quantum 5, 020363 (2024).
11. R. B.-S. Tsai, X. Sun, A. L. Shaw, R. Finkelstein y M. Endres, Benchmarking and fidelity response theory of high-fidelity Rydberg entangling gates, PRX Quantum 6, 010331 (2025).
12. Jens Koch, Terri M. Yu, Jay Gambetta, A. A. Houck, D. I. Schuster, J. Majer, Alexandre Blais, M. H. Devoret, S. M. Girvin y R. J. Schoelkopf, Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box, Phys. Rev. A 76, 042319 (2007) .
13. Helin Zhang, Chunyang Ding, D. K. Weiss, Ziwen Huang, Yuwei Ma, Charles Guinn, Sara Sussman, Sai Pavan Chitta, Danyang Chen, Andrew A. Houck, Jens Koch y David I. Schuster, Acoplador inductivo sintonizable para compuertas de alta fidelidad entre qubits de fluxonio, PRX Quantum 5, 020326 (2024).
14. Wei-Ju Lin, Hyunheung Cho, Yinqi Chen, Maxim G. Vavilov, Chen Wang y Vladimir E. Manucharyan, Puerta CNOT estable durante 24 días en qubits de fluxonio con más del 99,9% de fidelidad, PRX Quantum 6, 010349 (2025).
15. Y. Pang, J. E. Castro, T. J. Steiner, L. Duan, N. Tagliavacche, M. Borghi, L. Thiel, N. Lewis, J. E. Bowers, M. Liscidini y G. Moody, Versatile chip-scale platform for high-rate entanglement generation using an AlGaAs microresonator array, PRX Quantum 6, 010338 (2025).
16. N. David Mermin, ¿Está la Luna ahí cuando nadie mira? La realidad y la teoría cuántica, Phys. Today 78, 28 (2025) .
17. Nicolas Brunner, Daniel Cavalcanti, Stefano Pironio, Valerio Scarani y Stephanie Wehner, No localidad de Bell, Rev. Mod. Phys. 86, 419 (2014) .
18. Antecedentes científicos del Premio Nobel de Física 2022, “POR EXPERIMENTOS CON FOTONES ENTANGLADOS, ESTABLECIENDO LA VIOLACIÓN DE LAS DESIGUALDADES DE BELL Y PIONERANDO LA CIENCIA DE LA INFORMACIÓN CUÁNTICA” Información avanzada. NobelPrize.org. Divulgación del Premio Nobel (2025). https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/advanced-information/.
19. E. A. Cornell y C. E. Wieman, Conferencia Nobel: La condensación de Bose-Einstein en un gas diluido, los primeros 70 años y algunos experimentos recientes, Rev. Mod. Phys. 74, 875 (2002) .
20. Wolfgang Ketterle, Conferencia Nobel: Cuando los átomos se comportan como ondas: La condensación de Bose-Einstein y el láser atómico, Rev. Mod. Phys. 74, 1131 (2002) .
21. S. Finelli, A. Ciamei, B. Restivo, M. Schemmer, A. Cosco, M. Inguscio, A. Trenkwalder, K. Zaremba-Kopczyk, M. Gronowski, M. Tomza y M. Zaccanti, LiCr ultrafrío: A new pathway to quantum gases of paramagnetic polar molecules, PRX Quantum 5, 020358 (2024).
22. R. King, D. Gosset, R. Kothari y R. Babbush, Tomografía de sombras triplemente eficaz, PRX Quantum 6, 010336 (2025).
23. Haimeng Zhao, Laura Lewis, Ishaan Kannan, Yihui Quek, Hsin-Yuan Huang y Matthias C. Caro, Learning quantum states and unitaries of bounded gate complexity, PRX Quantum 5, 040306 (2024).
24. Yifan Zhang, y Yuxuan Zhang, Simulabilidad clásica de circuitos cuánticos con poca profundidad mágica, PRX Quantum 6, 010337 (2025).
25. Kevin C. Smith, Abid Khan, Bryan K. Clark, S. M. Girvin y Tzu-Chieh Wei, Constant-depth preparation of matrix product states with adaptive quantum circuits, PRX Quantum 5, 030344 (2024).
26. Peter W. Shor, Esquema para reducir la decoherencia en la memoria de los ordenadores cuánticos, Phys. Rev. A 52, R2493 (1995) .
27. Andrew Steane, Interferencia de partículas múltiples y corrección cuántica de errores, Proc. R. Soc. Lond. A 452, 2551 (1996) .
28. Lukas Postler, Friederike Butt, Ivan Pogorelov, Christian D. Marciniak, Sascha Heußen, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Manuel Rispler, Markus Müller y Thomas Monz, Demonstration of fault-tolerant steane quantum error correction, PRX Quantum 5, 030326 (2024).
29. Noah Berthusen, Dhruv Devulapalli, Eddie Schoute, Andrew M. Childs, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov y Daniel Gottesman, Toward a 2D local implementation of quantum low-density parity-check codes, PRX Quantum 6, 010306 (2025).
30. Yaodong Li, Nicholas O’Dea y Vedika Khemani, Perturbative stability and error-correction thresholds of quantum codes, PRX Quantum 6, 010327 (2025).
31. A. Bérut, A. Arakelyan, A. Petrosyan, Sergio Ciliberto, Raoul Dillenschneider y Eric Lutz, Experimental verification of Landauer’s principle linking information and thermodynamics, Nature 483, 187 (2012).
32. Koji Maruyama, Franco Nori y Vlatko Vedral, Coloquio: La física del demonio de Maxwell y la información, Rev. Mod. .
33. A. Munson, N. B. T. Kothakonda, J. Haferkamp, N. Yunger Halpern, J. Eisert y P. Faist, Complexity-constrained quantum thermodynamics, PRX Quantum 6, 010346 (2025).
34. Alexia Auffèves, Las tecnologías cuánticas necesitan una iniciativa de energía cuántica, PRX Quantum 3, 020101 (2022).
35. Tan Van Vu, Límites fundamentales de precisión y respuesta para observables cuánticos de trayectoria, PRX Quantum 6, 010343 (2025).

Este artículo se publicó en el sitio web de APS Physical Review Journals.