Puede que la biología no sea cuántica, pero sus matemáticas lo parecen

Los científicos llevan tiempo intentando —sin éxito— vincular la biología con la mecánica cuántica. La verdadera conexión entre ambas podría residir en las matemáticas.

Un artículo de Elise Cutts. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

Dos décadas atrás, los científicos parecían estar a punto de comprender la biología de una forma nueva: desde la perspectiva cuántica.

La vida se despliega a lo largo de una escala de magnitudes inabarcable, desde la biosfera que envuelve nuestro planeta, en un extremo, hasta las biomoléculas individuales que forman las células, en el otro. Sin embargo, incluso en su nivel más microscópico, la biología no llega realmente al dominio cuántico, en el que las partículas se comportan como ondas, se entrelazan unas con otras y existen en superposiciones de múltiples estados a la vez. Pero los científicos que trabajan en el campo de la biología cuántica buscan maneras en las que los organismos puedan llevar los fenómenos cuánticos a los dominios de espacio, tiempo y temperatura relevantes para la vida, para aprovechar sus extrañas propiedades.

En la fotosíntesis, por ejemplo, los organismos utilizan pigmentos y proteínas especializados para captar luz con una eficiencia cuántica casi perfecta; convierten prácticamente cada fotón incidente en energía química útil. En 2007, nuevas pruebas sugirieron que la vida podría lograr esta hazaña aprovechando un efecto cuántico denominado coherencia. El resultado reforzó la controvertida idea de que, pese a ser un entorno cálido, húmedo y decididamente clásico, una célula viva podría mantener —e incluso aprovechar— estados cuánticos frágiles.

Gregory Scholes, químico de la Universidad de Princeton, se mostró inicialmente entusiasmado con el resultado. Él y sus colegas realizaron posteriormente experimentos con proteínas y pigmentos fotosintéticos y llegaron a conclusiones similares. Pero hoy Scholes se muestra escéptico ante la posibilidad de que los efectos cuánticos desempeñen algún papel en la vida. De hecho, está convencido de que el camino que debe seguir la biología cuántica quizá no sea cuántico en absoluto. En lugar de aprovechar efectos cuánticos genuinos, propone Scholes, la vida podría estar imitándolos. En varios artículos publicados durante los últimos tres años, Scholes y sus colegas han demostrado que redes complejas de objetos clásicos pueden combinarse para producir fenómenos que, matemáticamente, imitan a los objetos cuánticos.

No hay que dejarse engañar: los estados que producen estas redes no son verdaderamente cuánticos; son únicamente «cuasi-cuánticos». Surgen cuando muchas partes que interactúan y oscilan se suman para formar un todo colectivo cuyo comportamiento obedece a las mismas matemáticas que permiten hacer predicciones sobre el mundo cuántico.

«Quizá la biología cuántica, a las escalas más grandes, consista en utilizar 3.500 millones de años de evolución para averiguar cómo obtener la funcionalidad que se podría conseguir con sistemas cuánticos», afirma Scholes.

Los investigadores de los fundamentos de la mecánica cuántica llevan décadas estudiando cómo recrear clásicamente determinados aspectos del mundo cuántico, afirma Markus Müller, físico del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Viena. Lo que ha hecho Scholes, explica Müller, es mostrar cómo puede emerger un comportamiento cuasi-cuántico a partir de redes complejas relativamente poco llamativas —del tipo de las que abundan en la naturaleza—.

«Los sistemas clásicos pueden imitar algunas de las características fundamentales de la información cuántica», afirma Sabre Kais, químico cuántico que desarrolla algoritmos de computación cuántica para sistemas complejos en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. «Es una nueva dirección apasionante».

Los límites de la biología cuántica

La tentación de reinterpretar los misterios de la vida como fenómenos de naturaleza cuántica es casi tan antigua como la propia mecánica cuántica. En una conferencia de 1929, el pionero de la física cuántica Niels Bohr hizo la vaga pero sugerente afirmación de que la mecánica cuántica, que por entonces apenas empezaba a asentarse matemáticamente, «quizá sea de importancia decisiva, particularmente al abordar la posición de los organismos vivos en nuestra concepción del mundo».

El contemporáneo de Bohr, Pascual Jordan, pasó varias décadas escribiendo sobre la Quantenbiologie, o biología cuántica, y sostenía que la vida posee una capacidad única para amplificar el extraño indeterminismo del mundo cuántico hasta escalas macroscópicas, y afirmaba que esta era la base del pensamiento humano y del libre albedrío. J. B. S. Haldane, genetista y biólogo evolutivo, se hizo eco de Jordan en un artículo de 1934 en el que sostenía que la capacidad de amplificar la indeterminación cuántica era lo que hacía especial a la vida. (Jordan, que se afilió al Partido Nazi y a sus fuerzas paramilitares en 1933, dañó la credibilidad de la biología cuántica al intentar vincularla con el nazismo).

Estos primeros defensores de la biología cuántica buscaban explicaciones para las desconcertantes propiedades de la vida a escala clásica en las leyes contraintuitivas de la física a escala cuántica. Una partícula clásica solo puede estar en un lugar, de una manera, en un momento dado; una partícula cuántica está extendida por todos los lugares y estados en los que potencialmente podría encontrarse, como una especie de onda de posibilidades. Esta extensión se describe matemáticamente mediante una función de onda que, al igual que una onda clásica, presenta crestas y valles.

Hasta que se observa una partícula, todas sus posibles configuraciones existen, en la práctica, a la vez. Se superponen en un estado de superposición, como ondas de agua o de sonido que se solapan. Y, al igual que las ondas superpuestas, los estados cuánticos superpuestos se suman, se anulan entre sí o se transforman de otras maneras. Cuando los estados cuánticos en superposición poseen propiedades ondulatorias suficientemente bien definidas como para afectarse mutuamente de este modo, se dice que son coherentes. Los sistemas cuánticos coherentes también pueden entrelazarse entre sí, fusionándose esencialmente en una única entidad unificada con una función de onda compartida.

Los estados cuánticos son delicados; se destruyen fácilmente cuando interactúan con el mundo exterior. Incluso una cantidad minúscula de ruido ambiental, como la agitación atómica debida al calor, puede desencadenar la decoherencia, es decir, un colapso hacia un comportamiento clásico. (Los ordenadores cuánticos no se mantienen a temperaturas ultrabajas por capricho). Y en el interior de una célula, la decoherencia debería ser prácticamente instantánea: el carácter cuántico no debería sobrevivir el tiempo suficiente en un entorno así como para tener ninguna relevancia para la biología.

Es cierto que, incluso en una célula, partículas diminutas como los átomos de hidrógeno pueden «hacer túnel cuántico», apareciendo al otro lado de barreras energéticas que, de otro modo, ralentizarían su paso o impedirían que las atravesaran. Y existen indicios de que el túnel cuántico en determinadas enzimas podría explicar sus elevadas velocidades de reacción. Pero eso no es realmente lo que buscan los biólogos cuánticos, afirma Scholes. En este tipo de túnel no interviene una coherencia de larga duración. El carácter cuántico implicado es sencillo, efímero y, en cierto modo, inevitable: incluso en un matraz de sustancias químicas muertas, algunas partículas diminutas atravesarán por túnel las barreras energéticas. La cuestión es si la vida puede hacer lo que la química inerte no puede: mantener estados cuánticos en coherencia durante el tiempo suficiente para utilizar la propia coherencia como recurso.

Una decepción en la captación de luz

Los científicos ya plantearon en la década de 1930 que la coherencia cuántica podría explicar la extraordinaria eficiencia de la fotosíntesis.

Los organismos fotosintéticos utilizan conjuntos de pigmentos y proteínas denominados complejos captadores de luz para absorber la luz. Cuando un fotón incide sobre uno de estos complejos, su energía electromagnética se absorbe y eleva un electrón del complejo a un estado excitado. Esta cuasipartícula —denominada excitón— se dirige hacia un centro de reacción, donde se transforma en energía química capaz de impulsar los pasos fundamentales de la fotosíntesis.

El proceso es casi un 100 % eficiente: prácticamente cada fotón absorbido termina impulsando la fotosíntesis. Los científicos pensaban que, si los excitones mantenían la coherencia cuántica a través de varias moléculas del complejo captador de luz, podrían explorar simultáneamente varias rutas hacia el centro de reacción, en lugar de saltar de forma azarosa y perderse potencialmente.

En 2007, Graham Fleming, de la Universidad de California en Berkeley, puso a prueba esta idea utilizando un complejo captador de luz formado por pigmentos y proteínas de una bacteria. Él y sus colegas estimularon los pigmentos y las proteínas con pulsos de láser extremadamente rápidos para generar excitones y, a continuación, los analizaron con pulsos posteriores. Esto reveló «batidos» sincronizados que, en aquel momento, parecían constituir una prueba de que los excitones interferían entre sí mediante coherencia cuántica. Otros investigadores, entre ellos Scholes, realizaron experimentos similares y encontraron batidos parecidos, incluso en experimentos llevados a cabo a temperatura ambiente.

Pero justo cuando la biología cuántica empezaba a cobrar impulso, se topó con un obstáculo. Un examen más detallado reveló que batidos como los descritos por el equipo de Fleming no reflejaban una coherencia cuántica, sino una resonancia entre enlaces moleculares vibrantes. La resonancia era un efecto interesante que los científicos aún están tratando de comprender, pero no era una coherencia cuántica de larga duración y largo alcance.

«La gente se sintió decepcionada», comenta Richard Cogdell, fotobiólogo de la Universidad de Glasgow. «Habría sido emocionante que realmente hubiera algo de cierto en ello y que hubiera algo especial en la biología que nadie hubiera advertido antes».

Los investigadores han planteado la hipótesis de que los efectos cuánticos intervienen en diversos fenómenos biológicos —entre ellos, el sentido magnético que ayuda a las aves a orientarse y, de manera más especulativa, la consciencia humana—, con grados de respaldo empírico muy variables. Pero, a día de hoy, sigue sin existir una prueba definitiva de una coherencia cuántica de larga duración que desempeñe una función biológica.

Scholes se ha vuelto escéptico respecto a que sea posible ampliar a la escala de la vida efectos como la coherencia y el entrelazamiento. «Es ese escalado el que produce el factor sorpresa. Y el mundo cuántico real no va a escalar de esa manera», afirma.

En una conferencia celebrada en diciembre de 2023, Scholes mantuvo una conversación sobre lo que tendría que suceder para hacer avanzar el campo. Recuerda que volvió a su habitación de hotel y anotó una idea: quizá lo «cuántico» de la biología cuántica no proceda en absoluto de la mecánica cuántica, sino que emerja de ondulaciones semejantes a ondas que se propagan por redes enormes y complejas.

«Ahora estoy convencido de que se podrían obtener efectos transformadores, pero procederían de sistemas clásicos que imitaran lo que se puede hacer con sistemas cuánticos», afirma Scholes. «¿Importa si no se puede distinguir la diferencia?»

Un mundo de estados de tipo cuántico

Scholes se preguntó si la aparición de estados sincronizados especiales en redes complejas, como bandadas de aves o bancos de peces, podría producir un comportamiento cuasi-cuántico.

Si se elimina la física de un estado cuántico, el objeto matemático que queda es un vector: una lista ordenada de números que actúa como un conjunto de coordenadas para una posición en un espacio matemático de posibilidades. Los estados cuánticos se representan en un tipo particular de espacio vectorial denominado espacio de Hilbert.

Los vectores del espacio de Hilbert siguen reglas específicas. Una de ellas establece que dos estados cualesquiera pueden sumarse y que el resultado también será un vector válido que, una vez normalizado, dará lugar a un estado cuántico válido. Esto es, matemáticamente, lo que expresa la superposición cuántica. Los estados son coherentes si presentan relaciones de fase bien definidas que les permiten interferir —sumándose o anulándose, dependiendo de cómo se alineen—. Las coordenadas de un vector en el espacio de Hilbert contienen información correspondiente a esta alineación de crestas y valles, denominada fase de una onda.

Andrei Khrennikov, matemático de la Universidad de Linnaeus, en Suecia, observó una conexión entre la interferencia cuántica y el mundo clásico en la década de 1990, cuando comenzó a tomar prestadas las matemáticas de la mecánica cuántica para modelizar probabilidades. Su idea, en esencia, era que los resultados probabilísticos —en campos tan distintos como la neurociencia y la economía— pueden interferir consigo mismos como los estados cuánticos en superposición.

En 2024, Scholes encontró una manera de diseñar redes complejas de osciladores de modo que produjeran estados emergentes —patrones estables de comportamiento sincronizado, como una multitud que aplaude al unísono— que pudieran describirse matemáticamente como vectores en un espacio de Hilbert. En concreto, demostró que pueden construirse redes capaces de producir estados emergentes que imitan matemáticamente la unidad cuántica más sencilla: un cúbit, que tiene dos estados (como 1 o 0) y puede existir en una superposición de ambos.

«Esto surge estrictamente de la estructura matemática del grafo», afirma Ethan Dickey, informático de la Universidad Purdue. «Si se construyen grafos de determinadas maneras que no son especialmente descabelladas, resulta que aparece este objeto matemático tan bello y elegante que simula —o casi alcanza— un objeto cuántico».

Redefiniendo la biología cuántica

Físicas muy diferentes pueden subyacer a formas matemáticas similares. Tanto la trayectoria parabólica de una pelota de béisbol en vuelo como el arco parabólico de la punta de una espina de cactus pueden describirse mediante ecuaciones cuadráticas, pero ambas formas son producidas por fuerzas diferentes. Por tanto, una conexión matemática entre los mundos clásico y cuántico no debe confundirse con una conexión física.

Existe una historia compleja de investigación rigurosa y de especulación fantasiosa sobre los efectos cuánticos en la vida. Ebrahim Karimi, físico de la Universidad de Ottawa, considera que los investigadores deberían ser cautos a la hora de conceder demasiado peso a este vínculo matemático. Elogia la elegancia del nuevo marco de Scholes y afirma que podría resultar útil, pero considera que el vocabulario cuántico no tiene cabida en los sistemas clásicos. La interferencia no tiene nada de misterioso ni de cuántico, señala Karimi. Es simplemente una característica del comportamiento de las ondas.

Los investigadores quieren comprender mejor cuándo y cómo los sistemas clásicos pueden imitar las matemáticas cuánticas. Ese conocimiento podría ser útil para aclarar las afirmaciones controvertidas sobre los efectos cuánticos en la vida, incluido el cerebro.

Entre los investigadores interesados en relacionar la vida con el dominio cuántico, el cerebro ha sido durante mucho tiempo objeto de intenso interés y de abundante debate. En 1989, por ejemplo, Roger Penrose recuperó antiguas ideas que situaban la física cuántica como base del libre albedrío; propuso que la consciencia surge de efectos cuánticos en el cerebro, en redes de filamentos proteicos denominados microtúbulos. Pocos neurocientíficos consideran seriamente esta hipótesis.

En ese contexto, Wolf Singer, neurofisiólogo del Instituto Ernst Strüngmann de la Sociedad Max Planck, se mostró inicialmente escéptico cuando Khrennikov le invitó a un taller sobre modelización cuasi-cuántica.

Singer y sus colegas demostraron en 2025 que introducir oscilaciones en un determinado tipo de red neuronal sencilla la hace más eficiente y robusta. Singer explica que utilizar la interferencia proporcionó esencialmente a la red una nueva dimensión con la que trabajar: el tiempo. Esto se debe a que la fase de una oscilación codifica información sobre cómo se estructuran los acontecimientos en el tiempo en relación unos con otros. Tras el taller, Singer dijo que estaba «impresionado por el hecho de que algunos fenómenos del mundo real quizá se describan mejor utilizando las técnicas descriptivas que emplean en física cuántica».

Los estados cuasi-cuánticos también proporcionan un modelo conceptual para diseñar deliberadamente redes —que pueden ser desde circuitos eléctricos hasta neuronas o péndulos físicos acoplados mediante muelles— capaces de aprovechar la superposición y la interferencia para realizar cálculos. En trabajos posteriores, Scholes y sus colegas demostraron que es posible conectar entre sí bits cuasi-cuánticos para producir redes mayores, que también son estados cuasi-cuánticos, y mostraron cómo se puede diseñar una red para imitar la versión cuántica de una «puerta lógica», un circuito utilizado para realizar un cálculo sencillo.

Dickey y su codirector de tesis doctoral, Kais, consideran que los estados cuasi-cuánticos tienen un «gran potencial para aplicaciones prácticas» en aprendizaje automático cuántico y en la modelización de sistemas complejos. Pero esas aplicaciones presentan limitaciones: la complejidad de la red subyacente se dispara cuando se empiezan a conectar bits cuasi-cuánticos entre sí. Para imitar perfectamente las puertas lógicas cuánticas, «se necesitan recursos infinitos, recursos físicos», afirma Scholes.

Dickey ha ampliado el trabajo de Scholes para determinar con precisión las propiedades de las redes que producen estados cuasi-cuánticos y trabaja en la búsqueda de formas computacionalmente eficientes de producirlos. En 2026 también publicó trabajos en los que muestra cómo pueden diseñarse redes para producir más tipos de estados cuánticos de los que permitía el marco original de Scholes.

Por su parte, Scholes está interesado en comprender los límites de los estados cuasi-cuánticos en el mundo clásico. Trabaja para determinar si es posible que los sistemas clásicos imiten de manera significativa el entrelazamiento.

Aunque, en última instancia, la biología no resulte ser tan cuántica como esperaban los investigadores, aún puede haber paralelismos interesantes —y potencialmente esclarecedores— entre el mundo de los seres vivos y el dominio cuántico. Aunque las superposiciones cuánticas se desvanecen a medida que aumenta la escala, aspectos de las matemáticas que gobiernan los componentes más pequeños y sencillos de la existencia parecen reaparecer en los sistemas clásicos más extensos y complejos que conocemos.

El artículo original, Biology Might Not Be Quantum, but Its Math Is Quantumlike, se publicó el 23 de septiembre de 2026 en Quanta Magazine. Cuaderno de Cultura Científica tiene un acuerdo de distribución en castellano con Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López