Medir el caos cuántico: cómo los físicos han logrado cuantificar el efecto mariposa en sistemas cuánticos complejos
El caos cuántico deja de ser una metáfora: un nuevo experimento logra medir cómo una mínima perturbación se amplifica hasta volver irreconocible la información inicial. El hallazgo permite cuantificar por primera vez el efecto mariposa cuántico y abre nuevas vías para entender el tiempo, los agujeros negros y el futuro de la computación cuántica.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Una mariposa que se desintegra en partículas simboliza el efecto mariposa cuántico: en los sistemas cuánticos complejos, una perturbación minúscula puede dispersarse rápidamente y volver irrecuperable la información inicial, un proceso que los físicos han logrado medir experimentalmente por primera vez. Crédito: IA-DALL-E-RexMolón Producciones
Medir el caos nunca ha sido una tarea sencilla. Mucho menos cuando ese caos se produce en el ámbito cuántico, donde las leyes de la física desafían la intuición y el comportamiento de los sistemas se vuelve extraordinariamente sensible a cualquier perturbación.
Sin embargo, un equipo internacional de investigadores ha dado un paso decisivo para cuantificar ese desorden microscópico y entender mejor uno de los fenómenos más fascinantes de la física moderna: el llamado efecto mariposa cuántico.
El trabajo, publicado recientemente en la revista Physical Review Letters, propone una manera de medir y controlar cómo el caos se propaga en sistemas cuánticos complejos, un desafío que conecta cuestiones fundamentales, como el origen de la flecha del tiempo, con aplicaciones futuras en computación cuántica, simulación cuántica y metrología de alta precisión.
Qué es el efecto mariposa cuántico
La metáfora del efecto mariposa se popularizó en la teoría del caos clásica: pequeñas perturbaciones pueden amplificarse hasta producir cambios enormes en sistemas complejos, como el clima. En el mundo cuántico, algo parecido ocurre cuando la información cuántica se dispersa en un sistema de muchas partículas.
En estos sistemas, inicialmente ordenados, la evolución natural hace que la información local —por ejemplo, el estado de una partícula concreta— se desparrame por todo el conjunto. Este proceso, conocido como scrambling o dispersión de la información cuántica, está estrechamente ligado a la termalización: con el tiempo, un sistema aislado parece alcanzar un estado de equilibrio térmico aunque evolucione según leyes reversibles.
En principio, la física cuántica permite invertir el tiempo. Si se pudiera aplicar exactamente el hamiltoniano —la función que describe la energía del sistema— con signo contrario, el proceso debería deshacerse: el sistema regresaría a su estado inicial, como si rebobináramos una película. Pero en la práctica, esa reversión perfecta es imposible.
Basta un error minúsculo para que la evolución invertida se desvíe exponencialmente. El resultado es que la información inicial se vuelve irrecuperable. Ese crecimiento exponencial de las desviaciones es precisamente la firma del caos cuántico de muchos cuerpos.
Por qué es difícil medir el caos cuántico
Durante años, los físicos han buscado una forma de medir directamente ese caos. La herramienta teórica más prometedora es el llamado correlador fuera de orden temporal (OTOC), una cantidad matemática que permite cuantificar cómo una pequeña perturbación inicial se amplifica con el tiempo en un sistema cuántico.
El problema es que medir el OTOC en experimentos reales resulta extremadamente difícil. Requiere hacer evolucionar el sistema hacia adelante y luego hacia atrás en el tiempo. Pero esa evolución inversa nunca es perfecta: cualquier imperfección experimental introduce errores que enmascaran el comportamiento caótico genuino.
Combinando experimentos y teoría, un equipo dirigido por Yu-Chen Li, del Laboratorio de Resonancia Magnética de Espín, en la Facultad de Ciencias Físicas (China), propone una solución elegante. En lugar de intentar eliminar completamente los errores —algo imposible— los investigadores desarrollaron un marco teórico que permite identificarlos, cuantificarlos y corregirlos a posteriori.
La flecha del tiempo intenta invertirse, pero el caos cuántico amplifica cualquier imperfección: el experimento demuestra que, en sistemas de muchos cuerpos, la información se dispersa de forma exponencial, haciendo prácticamente imposible revertir la evolución y recuperar el estado original. Crédito: IA-DALL-E-RexMolón Producciones
La teoría de los «scramblons», una nueva forma de entender el caos
La clave teórica del trabajo es la llamada teoría de los scramblons. Según este enfoque, la dispersión de la información cuántica se puede describir como si estuviera mediada por excitaciones colectivas —análogas a los fonones en los sólidos o a las ondas de espín en los imanes— que transportan el caos por el sistema.
Estas excitaciones que transportan la dispersión de información cuántica en sistemas caóticos, bautizadas como scramblons, crecen exponencialmente con el tiempo y dominan el comportamiento a largo plazo del OTOC. Su propagación determina la rapidez con la que la información se vuelve inaccesible.
El concepto no es solo una metáfora. En ciertos modelos teóricos relacionados con la gravedad cuántica y los agujeros negros, los scramblons del sistema cuántico se corresponden con gravitones en una descripción holográfica. Esto sugiere una conexión profunda entre el caos cuántico en laboratorio y la física de los agujeros negros, donde la pregunta sobre si la información se pierde o no sigue siendo central.
Un experimento con millones de espines cuánticos
Para poner a prueba estas ideas, los investigadores diseñaron un experimento basado en resonancia magnética nuclear (RMN) en un sólido. Utilizaron un polvo de adamantano —una molécula de carbono e hidrógeno— cuyos núcleos de hidrógeno actúan como pequeños imanes cuánticos, o espines.
Cada muestra contiene un número macroscópico de estos espines cuánticos interactuando de forma aparentemente aleatoria. Este tipo de sistema es tan complejo que ni siquiera los superordenadores actuales pueden simularlo completamente. Sin embargo, mediante secuencias cuidadosamente diseñadas de pulsos de radiofrecuencia, los científicos lograron controlar su evolución cuántica y, crucialmente, intentar revertirla.
El protocolo experimental consiste en tres pasos:
1️⃣ Evolución hacia adelante: el sistema se deja evolucionar de forma natural, dispersando la información cuántica.
2️⃣ Rotación controlada: se introduce una perturbación conocida.
3️⃣ Evolución inversa: se intenta revertir la dinámica para recuperar el estado inicial.
Midiendo la magnetización final del conjunto de espines se obtiene información sobre cuánto del estado inicial puede recuperarse. Esta magnitud está directamente relacionada con el OTOC y, por tanto, con la intensidad del caos cuántico.
Cómo eliminar los errores y revelar el caos real
El gran avance del estudio reside en la forma de tratar los errores inevitables en la evolución invertida. La teoría de los scramblons predice que estos errores siguen un comportamiento universal: crecen exponencialmente con el tiempo y afectan al OTOC de una manera específica.
A partir de esta predicción, los investigadores construyeron una fórmula de ajuste que permite separar el efecto del caos cuántico genuino del efecto de las imperfecciones experimentales. Ajustando los datos a ese modelo, pudieron extrapolar cómo se comportaría el sistema si la inversión temporal fuera perfecta.
El resultado es que, una vez corregidos los errores, emerge con claridad el crecimiento exponencial esperado del caos cuántico.
Primera medición experimental del exponente de Lyapunov cuántico
Una de las consecuencias más destacadas del trabajo es la extracción experimental del llamado exponente de Lyapunov cuántico en un sistema macroscópico de muchos cuerpos.
Este exponente mide la rapidez con la que dos estados inicialmente casi idénticos divergen en un sistema caótico. En física clásica, caracteriza fenómenos como la turbulencia y la dinámica atmosférica. En el ámbito cuántico, su medición directa había resultado extremadamente esquiva.
Gracias a la corrección de errores basada en la teoría de los scramblons, los investigadores lograron aislar este parámetro por primera vez en un sistema cuántico experimental de gran tamaño. El resultado confirma que el caos cuántico también sigue una ley exponencial bien definida.
Esquema del experimento: al evolucionar, un sistema cuántico dispersa la información y se vuelve cada vez más complejo y entrelazado. Aunque los investigadores intenten invertir el proceso, pequeñas imperfecciones hacen que el sistema no regrese exactamente a su estado inicial, revelando cómo el caos cuántico se amplifica incluso en materiales sólidos formados por millones de átomos. Cortesía: Yu-Chen Li et al
Implicaciones para la física fundamental y la tecnología
Más allá de la curiosidad fundamental, entender el caos cuántico tiene implicaciones profundas. Y estas son las más destacables:
✅ Comprender la flecha del tiempo. Uno de los aspectos más profundos del estudio es su relación con la irreversibilidad del tiempo. Aunque las ecuaciones de la física cuántica son reversibles, la dispersión de la información y el caos hacen que la reversión práctica sea casi imposible.
Esto ayuda a explicar por qué el tiempo parece tener una dirección definida en el mundo macroscópico.
✅ Mejorar la computación cuántica. El control del caos es crucial para el desarrollo de ordenadores cuánticos y simuladores cuánticos. Comprender cómo se dispersa la información puede ayudar a diseñar sistemas más robustos y a desarrollar mejores estrategias de corrección de errores.
✅ Sensores cuánticos más precisos. El mismo fenómeno de sensibilidad extrema que caracteriza al caos puede aprovecharse para mejorar la precisión de los sensores cuánticos. Algunos experimentos recientes utilizan la reversión temporal imperfecta para amplificar señales débiles, y el nuevo marco teórico podría optimizar estas técnicas.
COMPUTACIÓN CUÁNTICA
Un nuevo paso para medir el desorden del universo
El estudio representa un avance conceptual y experimental en la física del caos cuántico. Por primera vez, no solo se ha observado el efecto mariposa cuántico en un sistema complejo, sino que se ha logrado medirlo con precisión y separar su esencia de los errores experimentales.
En un campo donde la complejidad crece de forma vertiginosa con el número de partículas, disponer de herramientas para cuantificar el desorden es esencial. Los scramblons —esas hipotéticas partículas del caos— ofrecen ahora una forma de describir cómo la información cuántica se dispersa en el universo cuántico.
Y al hacerlo, acercan a los físicos un poco más a responder preguntas que van desde la irreversibilidad del tiempo hasta la naturaleza de los agujeros negros. En el mundo cuántico, medir el caos es también una forma de entender el orden oculto que lo gobierna.▪️(18-febrero-2026)
Fuente: Yu-Chen Li et al. Error-Resilient Reversal of Quantum Chaotic Dynamics Enabled by Scramblons. Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/cg3f-rggs.
