Descubren anyones en una dimensión: el experimento cuántico que transforma la física y abre la puerta a la computación topológica

Un grupo de físicos ha observado por primera vez anyones unidimensionales, una nueva clase de partículas cuánticas que desafía las reglas conocidas de la materia. Este hallazgo podría cambiar nuestra forma de entender el universo... y de construir ordenadores.

Por Enrique Coperías

Visualización artística de anyones emergiendo en un gas cuántico unidimensional de átomos de cesio. Las partículas más grandes representan impurezas móviles que inducen estadísticas fraccionarias al interactuar con un entorno fuertemente correlacionado, revelando un comportamiento intermedio entre bosones y fermiones. imagen generada con DALL-E

Durante más de cuatro décadas, los físicos han soñado con observar en el laboratorio una clase exótica de partículas que no encajan en ninguna de las dos categorías fundamentales de la mecánica cuántica: los bosones y los fermiones.

Estas partículas tan buscadas, conocidas como anyones, tienen un comportamiento cuántico que no encaja ni con las reglas de los bosones ni con las de los fermiones, sino que se sitúan en un punto intermedio entre ambos. Ahora, un equipo internacional de investigadores ha logrado lo que parecía imposible: observar directamente el comportamiento anyónico en un gas cuántico unidimensional.

El hallazgo, publicado en la prestigiosa revista Nature, no solo confirma predicciones teóricas largamente debatidas, sino que abre nuevas vías para el estudio de estados cuánticos exóticos y para el desarrollo de tecnologías emergentes, como la computación cuántica topológica, un tipo de computación cuántica que usa partículas exóticas, como los anyones, para almacenar y procesar información de forma más estable y resistente a errores.

¿Qué son los bosones, los fermiones y los anyones?

Según la mecánica cuántica, las partículas elementales pueden clasificarse en dos grandes familias:

✅ Los fermiones, como los electrones y los quarks, obedecen el principio de exclusión de Pauli, que impide que dos de ellos ocupen el mismo estado cuántico. Esta propiedad es esencial para explicar la estabilidad de la materia y la estructura de la tabla periódica.

✅ Por su parte, los bosones, como los fotones y los átomos en un condensado de Bose-Einstein —estado de la materia en el que muchos bosones se agrupan en el mismo estado cuántico, comportándose como una sola superpartícula a temperaturas cercanas al cero absoluto—, tienden a agruparse en un mismo estado, dando lugar a fenómenos como la superfluidez y la emisión láser.

Cuando dos partículas se intercambian, su función de onda cuántica sufre un cambio de fase: π (pi) para los fermiones, 0 para los bosones. Este pequeño detalle matemático tiene consecuencias gigantescas para el comportamiento cuántico de la materia.

Sin embargo, en dimensiones reducidas, es decir, en sistemas bidimensionales o unidimensionales, puede emerger una tercera categoría: los anyones. Estas cuasipartículas no tienen una existencia independiente, como los electrones y los protones, sino que surgen como excitaciones colectivas dentro de estados cuánticos muy específicos.

Como explica la analogía del físico estadounidense Frank Wilczek, uno de los padres del concepto, los anyones son al sistema lo que los fonones son al sonido: vibraciones que se comportan como partículas emergentes.

Una observación sin precedentes

Aunque los anyones han sido observados indirectamente en sistemas bidimensionales como los líquidos Hall fraccionarios, su existencia en una dimensión (1D) había permanecido sin demostración experimental. Hasta ahora.

En este nuevo estudio, un equipo liderado por el físico experimental Hanns-Christoph Nägerl, de la Universidad de Innsbruck, en Austria, en colaboración con los teóricos Mikhail Zvonarev, de la Universidad Paris-Saclay, y Nathan Goldman, de la Universidad Libre de Bruselas y el Collège de Francía, ha demostrado que los anyones pueden emerger en un gas de bosones fuertemente interactuantes confinado en una trampa unidimensional.

«Nuestro logro está en haber creado un entorno donde podemos transformar gradualmente bosones en fermiones, pasando por una gama continua de comportamientos intermedios característicos de los anyones” —explica Sudipta Dhar, uno de los autores principales del estudio—. Esto representa un avance fundamental en nuestra capacidad de diseñar estados cuánticos exóticos».

Los investigadores inyectan una impureza en un gas ultrafrio unidimensional, generando así una cuasipartícula con propiedades exóticas. Crédito: Universidad de Innsbruck

¿Cómo lograron dar caza al anyón?

Para este experimento, los investigadores utilizaron átomos de cesio ultrafríos confinados en finos tubos de luz formados por una red óptica. Estos tubos generan sistemas cuánticos unidimensionales donde los átomos interactúan intensamente entre sí, simulando un estado conocido como gas de Tonks–Girardeau. En este, los bosones se comportan de forma parecida a los fermiones, debido a la repulsión cuántica entre ellos.

El truco consistió en introducir una única impureza: un átomo con diferente estado de espín. Esta partícula funcionó como una doble herramienta. Por un lado, interactuó con el resto del gas para crear correlaciones cuánticas que simulan el comportamiento de los anyones. Por otro lado, al observar cómo se movía la partícula dentro del gas, los científicos pudieron descubrir qué tipo de comportamiento cuántico tenía el sistema: si era más parecido al de los bosones, los fermiones o algo intermedio.

Gracias a una técnica de control cuántico exquisita, los investigadores lograron variar de forma continua la fase estadística θ del sistema —entre 0 (bosónica) y π (fermiónica)— simplemente aplicando una leve fuerza a la impureza. Así, pudieron observar cómo el sistema evolucionaba gradualmente desde un comportamiento bosónico hasta uno fermiónico, pasando por configuraciones intermedias: los anyones emergentes.

«Lo fascinante del experiminto es que podemos controlar de forma continua la fase estadística, lo que nos permite explorar todo el espectro entre bosones y fermiones», afirma Dhar.

La «prueba del algodón»

La prueba crucial vino de la medición de la distribución de momento de la impureza. Para los bosones, esta distribución es simétrica y tiene un pico en cero; para los fermiones, es más plana y extendida. En el caso intermedio —es decir, en presencia de anyones—, los investigadores observaron una distribución asimétrica y sesgada, justo como predecían los modelos teóricos.

«Nuestros modelos reproducen directamente este cambio en la fase estadística y se ajustan muy bien a los datos experimentales. Es un ejemplo claro de cómo teoría cuántica y experimento pueden avanzar junto», dice Botao Wang, coautor teórico del estudio, en un comunicado de la Universidad de Innsbruck.

Para interpretar los resultados, el equipo utilizó varias simulaciones basadas en modelos como el Anyon Hubbard Model (AHM), el modelo Bose–Hubbard con espines (sBHM) y un nuevo modelo llamado swap model, diseñado específicamente para capturar los efectos de las permutaciones de espines en sistemas fuertemente correlacionados.

El chip Majorana 1 es un prototipo desarrollado por Microsoft que busca usar qubits topológicos basados en partículas de Majorana, un tipo de partícula cuántica exótica. Su objetivo es lograr una computación cuántica más estable y resistente a errores, utilizando principios de la computación cuántica topológica.

Dinámica fuera del equilibrio: la «fermionización» en acción

Los físicos no se limitaron a observar los anyones en estado estático; también analizaron cómo evolucionaban en el tiempo cuando se dejaba que el sistema se expandiera libremente, eliminando la trampa que lo confinaba.

Lo que descubrieron fue sorprendente: todas las distribuciones de momento, inicialmente distintas según el valor de θ, convergían a una forma similar tras unos milisegundos de expansión. Esta transformación, conocida como fermionización dinámica, demuestra que incluso los anyones terminan compartiendo comportamientos universales con los fermiones en ciertos regímenes fuera del equilibrio.

Este tipo de estudios es esencial para comprender cómo evoluciona la materia cuántica en condiciones reales y puede tener implicaciones clave para el desarrollo de futuros dispositivos cuánticos.

¿Por qué es importante el descubrimiento del anyón 1D?

Más allá del valor fundamental de haber demostrado la existencia de anyones en una dimensión, el estudio tiene implicaciones tecnológicas de gran alcance. Ciertas variantes de anyones —especialmente los llamados no abelianos— están en el centro de los esfuerzos para construir ordenadores cuánticos topológicos, una arquitectura potencialmente más robusta frente a errores cuánticos que los diseños actuales.

Este experimento demuestra que es posible crear y manipular estadística cuántica de forma controlada, algo impensable hace solo unos años. La capacidad de programar el tipo de partícula que queremos observar —simplemente ajustando parámetros experimentales— ofrece una herramienta sin precedentes para explorar nuevas fases de la materia.

Además, el uso de impurezas cuánticas como sondas permite el estudio de correlaciones no locales, clave para entender el orden topológico en muchos sistemas cuánticos.

Nuevo horizonte para la física cuántica

Este avance no solo valida décadas de trabajo teórico, sino que establece un nuevo paradigma experimental. Como señala la nota de prensa del equipo, «este marco experimental, elegante y sencillo, abre nuevas avenidas para el estudio de anyones en gases cuánticos altamente controlados».

En palabras de Dhar, los bosones del experimento han demostrado que la identidad cuántica puede ser moldeada. Bajo condiciones adecuadas, se convirtieron en cualquier cosa: en any-ones.

En una delgada línea de átomos, en silencio y a temperaturas cercanas al cero absoluto, se ha escrito un nuevo capítulo en la historia de la física cuántica. Uno que quizá nos acerque un poco más al futuro de la computación cuántica y al entendimiento profundo del comportamiento más misterioso de la materia. ▪️

• Información facilitada por la Universidad de Innsbruck

• Fuente: Dhar, S., Wang, B., Horvath, M. et al. Observing anyonization of bosons in a quantum gas. Nature (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09016-9