Las partículas ordinarias tienen antipartículas. El electrón tiene el positrón, con carga positiva. Pero en 1937, el físico italiano Ettore Majorana predijo que una partícula podía ser teóricamente su propia antipartícula. Esa es la partícula de Majorana, o fermión de Majorana.

En física de partículas sigue abierta la cuestión de si el neutrino es una partícula de Majorana. En física de la materia condensada, se espera que las partículas de Majorana aparezcan como cuasipartículas en las interfaces entre aislantes topológicos y superconductores, en los líquidos de espín cuánticos de Kitaev y en nanohilos semiconductores.

Importan para la computación cuántica porque son la llave de la computación cuántica topológica. Los ordenadores cuánticos actuales generan errores constantemente por el ruido ambiental, y corregirlos exige cantidades enormes de cúbits adicionales. Las partículas de Majorana podrían proteger la información cuántica a nivel de hardware, produciendo cúbits intrínsecamente resistentes al error.

Una analogía de seguridad ayuda. Si un cúbit convencional es meter toda tu fortuna en una sola caja fuerte, un cúbit topológico basado en partículas de Majorana reparte los activos en varios lugares. Reventar uno no te da el conjunto.

La propuesta japonesa: capturar a Majorana con corrientes de espín

El 6 de marzo de 2025, un grupo de investigación conjunto publicó sus resultados: el profesor asociado Yasuyuki Kato, de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Fukui; el profesor asociado Joji Nasu, de la Escuela de Ciencias de la Universidad de Tohoku; el profesor Masahiro Sato, de la Escuela de Ciencias de la Universidad de Chiba; el profesor asociado por proyecto Tsuyoshi Okubo, de la Escuela de Ciencias de la Universidad de Tokio; el profesor asociado por proyecto Takahiro Misawa, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio; y el profesor Yukitoshi Motome, de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tokio. El artículo salió en Physical Review X.

Un punto merece precisión. Esto no es un informe de observación exitosa de partículas de Majorana. Es una propuesta teórica de un nuevo método para detectar las partículas de Majorana que aparecen en los estados de líquido de espín cuántico (QSL).

El equipo se centró en el efecto Seebeck de espín (SSE), un fenómeno muy usado en espintrónica en el que un gradiente de temperatura genera un flujo de espín, esa propiedad que se comporta algo así como la rotación de un electrón, a través de un material.

El quid es que las partículas de Majorana no tienen carga. Sin carga, la detección eléctrica no funciona, y no se ha encontrado un método decisivo de control. Así que el equipo se preguntó si el flujo de espín podía sustituir a la carga. Ese fue el punto de partida.

El cálculo numérico a gran escala dio algo sorprendente. En un estado magnético concreto llamado líquido de espín cuántico de Kitaev (KSL), las partículas de Majorana generan corriente de espín fluyendo de caliente a frío, pese a no portar momento angular de espín. En un ferromagneto corriente, ese trabajo lo hacen los magnones. Que lo hagan las partículas de Majorana va contra lo esperado.

El equipo halló además que la dependencia del campo magnético y de la temperatura de la corriente de espín resultante muestra un comportamiento característico de las partículas de Majorana. La dirección de la corriente, positiva o negativa, depende del signo de la interacción de Kitaev: positiva si es ferromagnética, negativa si es antiferromagnética. Mide la corriente de espín y podrás leer las propiedades de las partículas de Majorana escondidas en el material.

¿Cómo se compara con el chip Majorana 1 de Microsoft?

En febrero de 2025, Microsoft anunció Majorana 1, presentado como el primer procesador cuántico topológico del mundo. Usando una nueva clase de material que llama topoconductor, que combina arseniuro de indio (semiconductor) y aluminio (superconductor) con precisión atómica en un nanohilo, genera modos cero de Majorana en ambos extremos. A partir de este chip de ocho cúbits, Microsoft apunta a una máquina escalable con un millón de cúbits en un solo chip.

El enfoque japonés es radicalmente distinto. Donde Microsoft fabrica Majoranas artificialmente en una interfaz semiconductor-superconductor, el equipo japonés propone detectar y controlar las partículas de Majorana que surgen de forma natural en el estado de líquido de espín cuántico de un material magnético, usando corriente de espín.

Los dos son complementarios más que competidores. El enfoque de Microsoft es ingeniería apuntada directamente al hardware cuántico. El trabajo japonés cava en la física de base y abre nuevos medios de detección y control. Con físicos que todavía sostienen que el chip de Microsoft se queda corto como demostración de cúbits topológicos, construir el fundamento teórico refuerza la credibilidad de todo el campo.

La carrera mundial por las partículas de Majorana

La investigación sobre partículas de Majorana y líquidos de espín cuánticos de Kitaev está activa en todo el mundo.

En Estados Unidos, hay grupos más allá de Microsoft intentando detectar modos cero de Majorana. En Europa, la Universidad Técnica de Delft, en Países Bajos, y la Universidad de Copenhague, en Dinamarca, trabajan con Microsoft en dispositivos híbridos semiconductor-superconductor.

En el lado de los materiales, el α-RuCl3 (cloruro de rutenio) se estudia ampliamente como principal candidato a líquido de espín cuántico de Kitaev, con dispersión de neutrones para observar excitaciones fraccionadas y medidas de efecto Hall térmico para sondear el origen de los fermiones de Majorana. En los últimos años se han publicado indicios de que el efecto Hall térmico en el plano del α-RuCl3 tiene origen en fermiones de Majorana.

Lo que hace distintivo el enfoque japonés de la corriente de espín es que abre una ventana completamente diferente de los métodos existentes, como la dispersión de neutrones o la medida de conductividad térmica. La acumulación de pruebas desde técnicas de medida independientes es lo que permite establecer con confianza la existencia de las partículas de Majorana.

Por qué importa esta investigación: un puente hacia el futuro de la computación cuántica

La relevancia va más allá de la detección. El equipo apunta también a la posibilidad de generar y controlar partículas de Majorana con corrientes de espín, lo que abre una vía para manipularlas mediante espintrónica y, en último término, usarlas en computación cuántica topológica.

Los ordenadores cuánticos actuales funcionan con circuitos superconductores en IBM y Google, y con iones atrapados en IonQ y Quantinuum. La tolerancia a errores es el problema duro de todos ellos. La computación cuántica topológica con partículas de Majorana podría resolverlo a nivel de hardware.

Conviene repetirlo: esto es una propuesta teórica. La verificación experimental está por venir. Pero la espintrónica es uno de los campos que Japón lidera en el mundo, y la ruta hacia esa comprobación se ve. Es un paso desde Japón, abriendo terreno nuevo en tecnología cuántica desde la ciencia básica.

En Japón, las reacciones a la computación cuántica y a las partículas de Majorana mezclan expectativa y cautela. ¿Cómo se cubre la carrera cuántica, o la investigación sobre Majorana, donde vives? ¡Nos encantaría saberlo!

Referencias