Controlan el entrelazamiento cuántico en el tiempo natural de los electrones

Los científicos siguen ampliando los límites de cómo entendemos y controlamos la materia en su nivel más fundamental. En el centro de este avance se sitúa la mecánica cuántica, la teoría que describe un mundo en el que las partículas pueden existir en varios estados a la vez y permanecer conectadas mediante el entrelazamiento cuántico. Sin embargo, estos efectos son extremadamente frágiles y tienden a desaparecer al interactuar con el entorno, lo que dificulta su observación y control.

Ahora, un estudio publicado en Nature, liderado por investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), el Instituto IMDEA Nanociencia y el Instituto Max Born (Alemania), demuestra una forma de controlar el entrelazamiento cuántico en la escala temporal propia del movimiento de los electrones: el attosegundo.

Un attosegundo equivale a 10⁻¹⁸ segundos, es decir, una milmillonésima de milmillonésima de segundo. Para hacerse una idea, un electrón tarda alrededor de 100 attosegundos en completar una órbita alrededor del núcleo de un átomo de hidrógeno.

El entrelazamiento cuántico, por su parte, describe la correlación entre dos partículas que han interactuado previamente y conservan esa conexión incluso cuando están separadas. En estas condiciones, una medición sobre una de ellas influye de forma medible en las propiedades de la otra, sin necesidad de comunicación directa entre ambas.

En este trabajo, los investigadores utilizaron una secuencia de dos pulsos láser de attosegundos, combinados con un pulso infrarrojo ligeramente más largo, para ionizar moléculas de hidrógeno y seguir la evolución del sistema resultante: un ion molecular y un electrón liberado. Al ajustar con precisión el retraso temporal entre los pulsos, lograron modular el grado de entrelazamiento cuántico entre ambos.

El estudio revela así, por primera vez, un aspecto fundamental del comportamiento cuántico: la relación de complementariedad entre coherencia y entrelazamiento. Además de su relevancia básica, estos resultados podrían tener implicaciones en el desarrollo de tecnologías cuánticas.

Propiedades complementarias 

La coherencia cuántica es la capacidad de un sistema para existir en superposición de estados y mantener una relación de fase definida, lo que permite la aparición de interferencias de tipo ondulatorio. Al igual que el entrelazamiento, es un fenómeno frágil que se degrada al interactuar con el entorno.

En este contexto, el trabajo pone de manifiesto la importancia de considerar el entrelazamiento para observar de forma óptima las coherencias electrónicas en experimentos de attosegundos. Mientras que la coherencia describe la capacidad de un sistema individual para mostrar interferencias, el entrelazamiento establece correlaciones entre sistemas, de modo que medir uno proporciona información sobre el otro.

“Descubrimos que coherencia y entrelazamiento son propiedades complementarias: cuando aumenta el entrelazamiento, la coherencia tiende a disminuir, y viceversa”, explica Fernando Martín, profesor de la UAM y autor principal del estudio.

Este comportamiento no es solo teórico, sino que puede controlarse experimentalmente. “Podemos pasar de un régimen a otro simplemente variando el tiempo entre los pulsos láser”, añade Marc Vrakking, del Instituto Max Born.

Hacia la computación cuántica

Los resultados abren nuevas posibilidades para potenciar —o, si se desea, suprimir— el entrelazamiento cuántico en sistemas moleculares, una capacidad clave para el desarrollo de tecnologías de información cuántica.

En computación cuántica, por ejemplo, los qubits basados en estados entrelazados son extremadamente sensibles al ruido del entorno. Las estrategias actuales se centran principalmente en corregir errores una vez que se producen. Este trabajo sugiere una vía alternativa: controlar activamente los estados cuánticos para preservar o incluso restaurar el entrelazamiento en tiempo real.

Aunque estas aplicaciones aún están lejos, la posibilidad de manipular coherencia y entrelazamiento en escalas de tiempo ultrarrápidas podría contribuir a estabilizar futuros sistemas cuánticos.

Un puente entre dos Nobel

El estudio conecta dos áreas de la física que, aunque recientemente reconocidas con el Premio Nobel, rara vez se abordan de forma conjunta.

En 2022, Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger fueron galardonados por sus experimentos con fotones entrelazados y sus contribuciones a la ciencia de la información cuántica. Un año después, en 2023, Pierre Agostini, Anne L’Huillier y Ferenc Krausz recibieron el Nobel por el desarrollo de técnicas para generar pulsos de attosegundos y estudiar la dinámica electrónica en la materia.

A primera vista, ambos campos parecen desconectados: uno se centra en el entrelazamiento y el otro en la observación ultrarrápida de electrones. Sin embargo, este trabajo demuestra que la ciencia de attosegundos no solo permite observar procesos cuánticos, sino también controlarlos, abriendo una vía para manipular sistemas entrelazados.

La investigación ha sido cofinanciada por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, a través del Plan Estatal de Investigación, y por la acreditación de Excelencia Severo Ochoa concedida a IMDEA Nanociencia.

Cómo observar y controlar el movimiento electrónico

Los pulsos de attosegundos empleados en el experimento tienen suficiente energía para arrancar electrones de prácticamente cualquier sistema material. Este proceso, conocido como fotoionización, genera dos entidades: un ion y un electrón liberado, que suelen quedar entrelazados.

En este trabajo, los investigadores se centraron en seguir el movimiento ultrarrápido del “hueco” que deja el electrón al salir de la molécula de hidrógeno. Observar esta dinámica exige que el sistema conserve coherencia electrónica, es decir, que el electrón restante no esté definido en un único estado cuántico.

Para ello, el equipo utilizó dos pulsos de attosegundos que ionizan la molécula y un pulso infrarrojo que permite seguir su evolución. Al final del proceso, la molécula se fragmenta en un átomo de hidrógeno neutro y un ion H⁺. Analizando en cuál de ellos queda localizado el hueco, los investigadores pudieron reconstruir la dinámica electrónica previa.

Los resultados muestran que esta localización no es fija, sino que oscila en función del retraso entre los pulsos láser. La amplitud de esa oscilación —que refleja el grado de coherencia— disminuye cuando aumenta el entrelazamiento entre el ion y el electrón, y viceversa.

En otras palabras, el experimento demuestra que es posible controlar directamente el equilibrio entre coherencia y entrelazamiento simplemente ajustando el tiempo entre los pulsos de attosegundos.

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Referencia bibliográfica:

Koll, LM., Suñer-Rubio, A.J., Witting, T. et al. Entanglement and electronic coherence in attosecond molecular photoionization. Nature 652, 82–88 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10230-2  

Más información:  UAM Gazette