Modelos matemáticos y teórica: Integración con teoría de información cuántica, posible formalización en términos de qubits biológicos y sistemas topológicos toroidales

Abstract

Este artículo propone un marco teórico para integrar el Modelo Electromagnético Toroidal de la Física de la Información (METFI) con conceptos relevantes de la teoría de la información cuántica, explorando la posibilidad de formalizar aspectos del METFI mediante la noción de qubits biológicos y sistemas topológicos toroidales. Partiendo de la evidencia experimental y teórica contemporánea sobre cuasi-objetos toroidales en electromagnetismo, observaciones de modos toroidales en plasmas y magnetosferas, y los avances recientes en qubits basados en sistemas moleculares y proteicos, proponemos una arquitectura conceptual —y sus posibles ecuaciones de evolución— que represente la dinámica de campos toroidales acoplados al sustrato biológico. Se discuten: (1) formulación matemática preliminar basada en operadores de campo toroidal y espacios de Hilbert locales; (2) hipótesis para la existencia y estabilidad de qubits biológicos en redes proteicas/neuronales; (3) relevancia de topologías protegidas y mecanismos análogos a qubits topológicos para la preservación de coherencia en entornos ruidosos; (4) implicaciones empíricas y vías de verificación con técnicas de neurofisiología molecular, imágenes magnéticas y trazadores exosómicos. El texto enfatiza los límites epistemológicos y propone un conjunto de predicciones falsables y experimentos de seguimiento.

Introducción y motivación

Los modelos que vinculan campos electromagnéticos con procesos de información en sistemas complejos han experimentado un resurgimiento debido a hallazgos en metamateriales (resonancias toroides), dinámica magnetosférica (modos toroidales de Alfvén) y desarrollos en computación cuántica (qubits topológicos y moléculas/proteínas como soportes cuánticos). El METFI, como marco conceptual que postula estructuras toroidales como soporte de estados informacionales distribuidos, plantea una vía para articular la física de campo con la teoría de la información en sistemas biológicos y planetarios. La pregunta central que abordamos aquí es si dicha articulación puede formalizarse rigurosamente mediante conceptos de información cuántica —en particular qubits— y si existen mecanismos topológicos/toroidales que otorguen robustez frente a decoherencia ambiental. Para fundamentar la discusión usamos evidencia publicada sobre resonancias toroides, modelado de campos toroidales en la geodinámica y los avances recientes en qubits biológicos/moleculares. (PMC, Wiley Online Library, SpringerOpen, Nature)

Marco teórico: campos toroidales y modos informacionales

Propiedades físicas de los toroides electromagnéticos

Los objetos toroides se distinguen por la configuración de corrientes y campos que generan dipolos toroides —un tercer tipo de dipolo electromagnético— con patrones de corriente que producen campos confinados y radiación levemente distinta de los dipolos eléctricos/magnéticos convencionales. Estas configuraciones han sido observadas y reproducidas en metamateriales y modeladas teóricamente con éxito. Las propiedades relevantes para información son: confinamiento local del campo, modos resonnantes discretos (espectro) y capacidad para almacenar energía en arquitecturas cerradas. (PMC)

Toroides en geodinámica y magnetosferas

En geociencias y física de plasmas, existe literatura sobre modos toroidales (por ejemplo, ondas de Alfvén toroidales en la magnetosfera y propuestas de imagen para campos toroidales en el núcleo) que muestran cómo las topologías toroidales aparecen como soluciones naturales de ecuaciones de onda/magnetohidrodinámica en condiciones acopladas. Tales modos presentan frecuencias discretas y condiciones de borde impuestas por la geometría (capa D'' en el límite núcleo-manto, por ejemplo). Estas soluciones ofrecen un análogo físico plausible para campos toroidales sostenidos en sistemas macroscópicos. (Wiley Online Library, SpringerOpen)

Qubits biológicos: evidencia y plausibilidad

Avances recientes en qubits moleculares y proteicos

En 2025 se han publicado avances que demuestran la posibilidad práctica de implementar qubits en matrices proteicas o constructos moleculares opto-electrónicos (por ejemplo, proteínas fluorescentes convertidas en spin-qubits), y esfuerzos multidisciplinares que programan células para manifestar estados cuánticos útiles como qubits. Esto sugiere que organismos celulares, o ensamblajes biomoleculares, pueden albergar dos niveles cuánticos manipulables y leíbles, abriendo la puerta conceptual a qubits biológicos coherentes por tiempos útiles. (Nature, EurekAlert!, The Quantum Insider)

Mecanismos de protección: topología y arquitectura toroidal

La decoherencia es el principal obstáculo para estados cuánticos en entornos térmicos y ruidosos. En física cuántica, los qubits topológicos (p. ej. basados en excitaciones de cualquierón o estados de Majorana) prometen protección intrínseca por efectos topológicos. Análogamente, proponemos que estructuras toroidales macromoleculares o redes de corrientes bioeléctricas que formen topologías cerradas podrían conferir protección efectiva a información codificada en grados de libertad cuánticos locales mediante: (a) aislamiento electromagnético relativo por configuración de campo; (b) degeneración de modos que reduce acoplamientos perturbativos; (c) simetrías de braiding efectivas en redes dinámicas que re-escriben errores como transformaciones topológicas no dañinas. Aunque todavía especulativo, los desarrollos en qubits topológicos y la demostración de qubits en proteínas aumentan la plausibilidad experimental. (Microsoft Azure, MDPI)

Formalización matemática preliminar

A continuación proponemos una formalización mínima que capture la idea de estados informacionales toroidales acoplados a qubits biológicos.

Espacios y operadores

• Sea $\mathcal{H}_\text{macro}$ el espacio de Hilbert asociado a modos toroidales macroscópicos (campos electromagnéticos discretos en la cavidad toroidal).

• Sea $\mathcal{H}_\text{bio}$ el producto tensorial de espacios locales $\bigotimes_i \mathcal{H}_i$, donde cada $\mathcal{H}_i$ representa el espacio cuántico de un potencial qubit biológico (nivel molecular/proteico/ion).

• La dinámica acoplada se describe por un Hamiltoniano total

$$H = H_\text{macro} + \sum_i H_{\text{bio},i} + \sum_i V_i,$$

donde $V_i$ representa el acoplamiento local entre el modo toroidal y el $i$-ésimo qubit biológico (por interacción dipolar, acoplamiento por campos locales o intercambio de excitaciones).

Modelo de interacción dipolar-toroidal

Un término de interacción simplificado puede escribirse, en primera aproximación, como

$$V_i = g_i \left( a^\dagger + a \right)\otimes \sigma_x^{(i)} + \Delta_i \sigma_z^{(i)},$$

donde $a$ es el operador de aniquilación del modo toroidal, $\sigma_{x,z}^{(i)}$ son operadores de Pauli sobre el qubit biológico, $g_i$ el acoplamiento efectivo y $\Delta_i$ el sesgo local. Este tipo de acoplamiento permite transferencia de excitaciones y puede soportar estados entangled entre modos macroscópicos y qubits locales.

Qubits topológicos efectivos

Si la red biológica posibilita braiding efectivo (por reorganización de enlaces o patrones de corrientes), se puede modelar un subespacio lógicamente protegido $\mathcal{H}_\text{top} \subset \mathcal{H}_\text{bio}$ cuyas operaciones lógicas $U_\text{logical}$ dependen exclusivamente de transformaciones topológicas continuas. Formalmente, se buscaría una representación de la álgebra de braiding en los autovalores de $H$ con degeneraciones protegidas contra perturbaciones locales.

Integración con teoría de la información cuántica

Capacidad informacional y métricas

Definimos la capacidad efectiva de almacenamiento informacional del sistema acoplado por la entropía de Von Neumann del estado reducido sobre sub-espacios relevantes:

$$S(\rho_\text{sub}) = -\mathrm{Tr}(\rho_\text{sub}\ln\rho_\text{sub}).$$

La robustez se evalúa por tasas de decoherencia $\Gamma$ comparadas con tiempos de operación $T_\text{op}$. Requerimos $\Gamma^{-1} \gg T_\text{op}$ para operaciones fiables. En presencia de protección topológica y confinamiento toroidal, hipotetizamos una reducción efectiva de $\Gamma$ por un factor dependiente de la simetría y la geometría del toroide.

Comunicación cuántica intermodal

Los modos toroidales macroscópicos pueden actuar como buses para distribuir información cuántica entre qubits biológicos distantes mediante estados coherentes del campo. Protocolos análogos a teleportación o entrelazamiento asistido por campo serían posibles si se generan pares entre el modo toroidal y los qubits locales con fidelidades superiores al umbral de corrección de errores.

Papel de exosomas y mensajería molecular en el acoplamiento

La literatura reciente subraya la capacidad de los exosomas para transportar moléculas, ARN y proteínas a través de la barrera hematoencefálica y modular señales neuronales y sistémicas. Desde la perspectiva del METFI, los exosomas podrían actuar como vectores de reconfiguración local de la red (por entrega de proteínas que cambian las propiedades dieléctricas o conductivas de membranas) y como mensajeros que alteran parámetros $g_i$ o $\Delta_i$ en el Hamiltoniano efectivo. Esto abre vías experimentales de verificación: marcar exosomas y medir cambios en respuesta electromagnética local o en la dinámica de resonancias toroidales. (PMC)

Predicciones y experimentos de seguimiento (falsables)

Proponemos un conjunto de predicciones operativas susceptibles de prueba:

1. Resonancias toroides locales: en tejidos con arquitectura toroidal (anillos de tejido o redes de citosqueleto organizadas), espectros electromagnéticos deberían mostrar picos resonantes discretos reproducibles in vitro cuando se excitan con bandas de frecuencia específicas. Técnica: espectroscopía de campo cercano y metamateriales acoplados a muestras biológicas. (Relacionado con la física de toroidal dipole en metamateriales). (PMC)

2. Qubit proteico detectables: construcciones de proteínas fluorescentes con propiedades de spin-qubit deberían presentar coherencias observables mediante pulsos coherentes y técnicas de resonancia opto-electrónica; el acoplamiento a modos macro puede ser inducido por campos externos modulados. Esto es directamente comprobable a la luz de recientes informes sobre qubits basados en proteínas. (Nature, EurekAlert!)

3. Cambio funcional mediante exosomas: manipular la carga o contenido de exosomas dirigidos a redes neuronales debería correlacionar con cambios en parámetros electromagnéticos locales (p. ej., alteraciones en impedancia, resonancia) y, en segunda instancia, con modificaciones de la dinámica de modos toroidales mesoscópicos. Técnicas: administración de exosomas marcados + MEG/EEG de alta densidad, espectroscopía y análisis de impedancia. (PMC)

4. Protección topológica: si existen subespacios lógicamente protegidos por topología en redes biologicas, las operaciones lógicas (braiding efectivo) deberían ser insensibles a perturbaciones locales: esto se puede contrastar experimentalmente mediante ensayos que apliquen perturbaciones locales repetidas y comparen fidelidades en presencia/ausencia de la arquitectura toroidal propuesta. (Inspirado en investigaciones de qubits topológicos). (Microsoft Azure, MDPI)

Limitaciones, riesgos y consideraciones epistemológicas

El presente marco es especulativo y heterogéneo: mezcla conceptos de electromagnetismo clásico, física de plasmas, teoría cuántica de la información y biología molecular. Los principales fallos potenciales incluyen: sobreinterpretación de analogías (topología matemática vs. protección física real), subestimación de decoherencia en ambientes biológicos, y falta de pruebas directas que conecten resonancias macroscópicas con estados cuánticos locales. Por tanto, el camino científico requerido es incremental: caracterizar físicamente las resonancias toroides mesoscópicas en preparaciones controladas; demostrar coherencia cuántica en bioconstructos relevantes; y luego cerrar el círculo mediante experimentos acoplados que conecten exosomas, propiedades dieléctricas y estados cuánticos locales.

Implicaciones teóricas y aplicaciones potenciales

Si parte del marco se verificara, surgirían implicaciones en varios campos:

• Neurociencia: nuevos mecanismos de codificación distribuida en el cerebro que combinen dinámica de campos y estados cuánticos locales.

• Biotecnología: diseño de biosensores basados en proteínas-qubit o nanoarquitecturas toroidales para almacenamiento y transmisión de información a escala celular.

• Geofísica: mejor comprensión de modos toroidales en la Tierra y su papel en acoplamientos núcleo-manto, con implicaciones para la detección de transitorios geodinámicos. (Wiley Online Library, SpringerOpen)

Ruta de trabajo propuesta (pasos concretos)

1. Caracterización física in vitro: construir cavidades toroidales microfabricadas con sustratos biocompatibles y medir sus modos con espectroscopía de campo cercano.

2. Implementación de qubits proteicos: replicar experimentos recientes de proteínas-cuánticas en condiciones biológicas y medir tiempos de coherencia y acoplamiento con campos externos. (Nature)

3. Experimentos acoplados exosoma–campo: usar exosomas manipulados para alterar propiedades eléctricas locales y medir la respuesta espectral del sistema. (PMC)

4. Modelado y simulación: desarrollar simulaciones numéricas del Hamiltoniano acoplado propuesto, estimando tasas de decoherencia y umbrales de protección topológica.

5. Validación in vivo (si in vitro y ex vivo son exitosos): pruebas controladas con marcadores no invasivos (MEG/EEG de alta densidad, técnicas magnetométricas) buscando coincidencias entre manipulación molecular y cambios espectrales toroidales.

Resumen 

• METFI puede integrarse conceptualmente con la teoría de la información cuántica mediante la identificación de modos toroidales macroscópicos que actúan como buses de información y la existencia potencial de qubits biológicos en ensamblajes moleculares.

• Las propiedades físicas de los toroides (confinamiento y modos resonantes discretos) los convierten en candidatos naturales para soportar estados informacionales distribuidos. (PMC)

• Avances experimentales recientes muestran la plausibilidad de qubits moleculares/proteicos, abriendo la posibilidad realista de qubits biológicos. (Nature, EurekAlert!)

• La protección frente a decoherencia podría lograrse por mecanismos análogos a la protección topológica (qubits topológicos), implementables en redes toroidales biológicas o arquitecturas de corriente cerrada. (Microsoft Azure, MDPI)

• Los exosomas constituyen vectores plausibles para modular parámetros locales del sistema (p. ej. $g_i$, $\Delta_i$) y, por tanto, representan una herramienta experimental clave para verificar el acoplamiento biomolecular-electromagnético. (PMC)

• Se propone un Hamiltoniano acoplado (modo toroidal + qubits locales) y una ruta experimental escalonada (in vitro → ex vivo → in vivo) para validar las predicciones.

• Las incertidumbres son significativas: la hipótesis requiere pruebas empíricas rigurosas y una separación cuidadosa entre analogía matemática y mecanismo físico real.

Referencias

• Zheludev, N. I., The Rise of Toroidal Electrodynamics and Spectroscopy (review sobre toroidal dipoles y propiedades de resonancia en metamateriales). Comentario: revisión técnica que documenta la existencia experimental de resonancias toroides en materiales artificiales; útil para diseñar cavidades toroidales biológicas. (PMC)

• Takahashi, K., et al., Nodal Structure of Toroidal Standing Alfvén Waves (2021). Comentario: análisis de modos toroidales en la magnetosfera, relevante como análogo físico de modos toroidales acoplados a sistemas grandes y para entender condiciones de borde. (Wiley Online Library)

• Takahashi, F., Testing a toroidal magnetic field imaging method at the core (2014). Comentario: metodología para inferir campos toroidales en el límite núcleo-manto; pertinente si se extrapolan ideas a escala planetaria. (SpringerOpen)

• Feder, J. S., A fluorescent-protein spin qubit (Nature, 2025). Comentario: demuestra viabilidad de convertir proteínas en qubits con propiedades observables; pieza clave que sustenta la noción de qubits biológicos. (Nature, EurekAlert!)

• Artículos sobre exosomas y su papel en señalización / paso de la barrera hematoencefálica (Han et al. 2023; Khatami et al. 2023). Comentario: resumen de evidencia experimental que exosomas pueden actuar como vectores de modulación molecular entre sistemas periféricos y cerebrales. (PMC)

• Revisiones y papers sobre qubits topológicos y avances industriales (Microsoft Majorana 2025; revisiones sobre topological qubits). Comentario: muestran el estado del arte sobre protección topológica de información cuántica y sus principios aplicables conceptualmente. (Microsoft Azure, SpinQ)

Protocolo experimental in vitro — Fase 1

Objetivo: detectar y caracterizar modos resonantes toroides en preparaciones biológicas mesoscópicas y medir acoplamiento entre dichos modos y qubits biológicos (proteínas-qubit expresadas en células o preparaciones proteicas), así como evaluar la posibilidad de modular el acoplamiento vía exosomas.

Resumen ejecutivo (2–3 líneas)

Construir una cavidad toroidal / estructura resonante acoplada a una muestra biológica que contenga proteínas-qubit (o constructos proteicos) y medir: (A) espectro de resonancias toroides (campo cercano / transmisión/reflexión), (B) respuesta opto-magnética (ODMR/ESR si procede) del qubit, y (C) cambios eléctricos/impedancia de la muestra tras entrega de exosomas manipulados. Las señales se validan con controles físicos y biológicos.

I. Materiales y equipamiento

A. Equipamiento principal

• Fuente láser sintonizable (vis–NIR), pulsada y CW, con control de potencia y modulación.

• Microscopio SNOM/NSOM capaz de trabajar en líquido y en configuraciones de campo cercano (para mapeo de campo y espectroscopía). (zeiss-campus.magnet.fsu.edu, PMC)

• Espectrómetro óptico de alta resolución (para transmisión/reflectancia).

• Generador/analizador vectorial de señales RF / MW (para excitación de qubits y control MW).

• Sistema de Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) o set-up de resonancia de spin con detección óptica y capacidad CW/pulsada. (Si se usan proteínas-qubit/centros NV u otros sensores). (PMC, pubs.acs.org)

• Electrodo/plataforma para Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) / TEER con capacidad para medidas a microescala y montaje de celda en cámara húmeda. (bio-protocol.org, PMC)

• Microscopio de fluorescencia / confocal para registro de expresión de constructos.

• Cámara de control térmico (4–40 °C) y cuvette / microchamber para mantener condiciones fisiológicas.

• Sistemas de manipulación de exosomas: ultracentrífuga, kits de aislamiento y etiquetado (fluorescencia/bio-conjugación). (PMC)

B. Materiales biológicos y consumibles

• Línea celular (opcional): HEK293 o similar, transfectable, para expresar proteína-qubit (o control).

• Constructo génico para proteína-qubit (plásmido con etiqueta fluorescente/mark-out), o preparación proteica purificada que exhiba propiedades de spin/fluorescencia relevantes. (Basarse en diseños experimentales de la referencia sobre proteínas-qubit). (arXiv, PubMed)

• Sustratos microfabricados con geometría toroidal (microanillos de dieléctrico / metal/dielectric stack) preparados por litografía; o metamateriales ópticos según diseño (ver refs sobre toroidal dipole). (arXiv, Physical Review)

• Soportes biocompatibles (hidrogeles, Matrigel, polímeros biocomo PDMS) para integrar células o proteínas dentro/por encima de la cavidad toroidal.

• Soluciones buffer fisiológicas, antibióticos si se trabaja con cultivos, reactivos de transfección.

• Kits de aislamiento y marcado de exosomas (fluorescencia, biotinylation). (PMC)

II. Diseño experimental y preparación de la muestra

A. Diseño de la cavidad / estructura toroidal

1. Opción A (óptica / nano-escala): micro-anillos o arreglos nanoestructurados de dielectrico/metal diseñados para resonancias en el rango óptico–NIR (simulaciones FDTD/MESHFIRST para ajustar frecuencia). Referencias sobre diseño de metamateriales toroides para guiar parámetros geométricos. (arXiv, Nature)

2. Opción B (THz / RF macroscópico): bobinas toroidales dieléctricas para excitar modos en banda baja (si el objetivo es acoplar a corrientes iónicas o modos de baja frecuencia).

Criterio de elección: preferir resonancia en bandas accesibles por SNOM y por los sensores ópticos de las proteínas-qubit (ej. si proteína-qubit lee en NIR, ajustar resonancia cercana).

B. Integración biológica

• Depositar una monocapa celular sobre la cavidad toroidal (si se usan células) o disponer la solución proteica encima de la cavidad en una micro-cámara con espesor controlado (p. ej., 100–500 μm).

• Para proteínas-qubit expresadas en células: transfectar 24–48 h antes de la medida; comprobar expresión por fluorescencia confocal. (PubMed)

• Para evaluar efecto de exosomas: preparar lotes control y lotes modificados (exosomas cargados con proteína/oligón/fluoróforo) y aplicar en condiciones estandarizadas.

III. Procedimientos experimentales — mediciones principales

Experimento 1 — Mapeo y caracterización de resonancias toroidales (SNOM + espectroscopía)

1. Montar la muestra en la cámara del SNOM en buffer fisiológico, temperatura controlada.

2. Barrer longitud de onda (o frecuencia) de excitación con la fuente láser; medir transmisión/reflectancia y mapa de intensidad en campo cercano. Registrar espectros en cada punto de mapeo (resolución espacial ~50–100 nm posible con SNOM). (zeiss-campus.magnet.fsu.edu, PMC)

3. Control físico: medir la misma estructura sin material biológico para obtener referencia del modo toroidal puro.

4. Salida esperada: picos resonantes discretos en espectro óptico con distribución espacial característica (anillo/toro). Criterio mínimo de éxito: pico reproducible con SNR ≥ 5 respecto al fondo y estabilidad temporal > 30 min.

Citación: diseño y detección de modos toroides en metamateriales ópticos. (Nature, Wiley Online Library)

Experimento 2 — Lectura de qubit biológico (ODMR / spin resonancia opto-eléctrica)

1. Preparación: si la proteína-qubit reporta mediante contraste opto-magnético (ODMR), posicionar la excitación óptica y aplicar campos MW controlados.

2. Medir señales ODMR: barrer frecuencia MW para identificar resonancia de spin; realizar secuencias CW y pulsadas (Rabi, Ramsey, CPMG) para estimar tiempos T1 y T2*. Referencia experimental reciente reporta T1 ≈ 141 μs y T2 CPMG ≈ 16 μs en proteínas-qubit en condiciones controladas; usar como orden de magnitud esperable. (arXiv, PubMed)

3. Control biológico: células/solución con proteína-qubit desactivada (mutante) o sin expresión.

4. Salida esperada: detección de contraste ODMR (inicialmente modesto: 1–8% contraste reportado en estudios recientes) y tiempos de coherencia replicables. Criterio mínimo de éxito: señal ODMR con contraste ≥ 1% y SNR sufic. para medir T1/T2 (SNR ≥ 3 en promedio de N repeticiones). (arXiv)

Experimento 3 — Acoplamiento modo toroidal ↔ qubit biológico

1. Montar ambos sistemas (estructura toroidal + proteína-qubit) y realizar mediciones simultáneas: (a) excitar el modo toroidal con fuente óptica/RF y (b) registrar respuesta ODMR del qubit.

2. Protocolos: medir shift en frecuencia de resonancia del qubit al encender/apagar la excitación del modo; medir dependencias de acoplamiento con distancia (mover la muestra o variar espesor del buffer).

3. Medidas a realizar: correlación cross-spectral entre señal del campo cercano (SNOM) y la señal ODMR; estimación del acoplamiento efectivo $g$ mediante análisis de líneas (splitting o shift).

4. Controles: (i) mismo esquema con qubit pero sin cavidad (ii) misma cavidad con proteína no-qubit.

5. Salida esperada: cambios reproducibles en la frecuencia/contraste del qubit cuando la cavidad es excitada; criterio de éxito mínimo: desplazamiento estadísticamente significativo (p < 0.01) y relación señal/ruido que permita estimar $g$ con incertidumbre relativa < 50%.

Experimento 4 — Modulación por exosomas (prueba funcional)

1. Preparar exosomas marcados (control) y exosomas con carga (p. ej. proteínas o lípidos que cambien dieléctrica local). Aplicar al sistema integrado (células o solución proteica). (PMC)

2. Medir: (A) cambios en espectro del modo toroidal (SNOM/espectro), (B) cambios en impedancia local por EIS/TEER, (C) cambios en param. ODMR del qubit.

3. Salida esperada: variaciones reproducibles en parámetros $g_i$, $\Delta_i$ estimables a partir de shifts espectrales y/o cambios en impedancia. Criterio de éxito: reproducible correlación entre dosis de exosomas y magnitud del cambio (relación dosis-respuesta).

IV. Estimaciones de señal, ruido y límites prácticos

A. Señal óptica / SNOM

• Señal esperable: picos resonantes con amplitud dependiente del acoplamiento del modo al sensor; SNR inicial típico en SNOM sobre estructuras biológicas: variable pero se recomienda SNR ≥ 5 para identificación robusta. (Aumentar promedio temporal o potencia para mejorar SNR, vigilando fototermia). (zeiss-campus.magnet.fsu.edu)

B. Señal ODMR (proteínas-qubit)

• Contraste: informes recientes muestran contrastes de 1–8% en condiciones celulares/solución; sensibilidad de campo AC/DC con límites en fT–pT·Hz^{-1/2} según configuración. Tiempos de coherencia: T1~10^2 μs, T2(CPMG)~10 μs orden de magnitud; usar esto para planear duración de secuencias y repeticiones. Estas cifras implican que para obtener SNR suficiente conviene promediar y/o usar secuencias de decoupling (CPMG) y optimizar detección óptica. (arXiv, PubMed)

C. Impedancia / EIS

• Cambios de TEER/impedancia por alteraciones en membrana o por entrega de exosomas pueden ser del orden de unos pocos ohm·cm^2 a décimas, dependiente del modelo celular; usar EIS con ruido de fondo bajo y referencias; SNR esperado alto si se usan electrodos con interfaz estable y calibrada. (bio-protocol.org, BioMed Central)

D. Ruido y artefactos comunes

• Ruido térmico y fototérmico (evitar altas potencias).

• Señales de fondo de autofluorescencia celular.

• Acoplamientos parasíticos entre la instrumentación MW y detectores ópticos.

• Soluciones: blind tests, controles físicos y biológicos; apantallado electromagnético; calibraciones periódicas.

V. Criterios de éxito y decisiones de continuación

Criterios de éxito mínimos (para avanzar a Fase 2)

1. Detección reproducible de al menos una resonancia toroide en la estructura integrada con la muestra biológica con SNR ≥ 5.

2. Detección de señal ODMR en la proteína-qubit (contraste ≥ 1%) y medición de T1/T2 con incertidumbre razonable (≤ 50%). (arXiv)

3. Evidencia estadísticamente significativa de interacción (shift/fidelity change) entre modo toroidal y qubit en comparación con controles (p < 0.01).

4. Observación de un cambio dependiente de dosis al aplicar exosomas (correlación dosis-efecto reproducible).

Si se cumplen 1–3, avanzar a optimización de acoplamiento (modificar geometría, materiales, aumentar Q-factor) y simulaciones numéricas para estimar $g$ y escalabilidad. Si sólo se cumple 1, realizar mejoras en la sensibilidad ODMR / diseño de qubit; si sólo 2, optimizar cavidad toroidal.

VI. Controles y reproducibilidad

• Réplicas técnicas (n ≥ 3) y biológicas (n ≥ 3 lotes).

• Controles negativos: estructura sin biología; biología sin estructura; qubit mutante.

• Controles positivos (si disponibles): cavidad con modo conocido y sensor estándar (p. ej. nanopartícula plasmonica con pico conocido).

• Registro completo de condiciones (temperatura, pH, composición de buffer, tiempo desde preparación).

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VII. Seguridad, bioética y buenas prácticas

• Trabajo con líneas celulares y exosomas según normativa de bioseguridad de nivel apropiado (Biosafety Level 2 en la mayoría de casos).

• Aprobación de comités institucionales antes de experimentos in vivo posteriores.

• Gestión de desechos biológicos y descarte de materiales con MW/residuos químicos.

VIII. Plan de análisis de datos

• Preprocesado: corrección de fondo, normalización por potencia y algoritmo para eliminación de picos espurios.

• Estimación de parámetros espectrales (f0, ancho de línea, Q, área bajo la curva).

• Ajuste de líneas ODMR para obtener T1/T2: uso de modelos exponenciales y fitting por mínimos cuadrados (bootstrap para estimar incertidumbres).

• Análisis de correlación cross-spectral entre señales SNOM y ODMR (coherencia espectral, coherencia cruzada) para inferir acoplamiento.

• Criterios estadísticos: ANOVA para comparación múltiple, test t/Bayesiano según tamaño de muestra, p < 0.01 para avanzar.

IX. Riesgos técnicos y mitigaciones rápidas

• Falta de señal ODMR: aumentar densidad de qubits, usar enriquecimiento por purificación o mejorar colección óptica (objetivos de alta NA), y/o trabajar a temperaturas moderadamente reducidas si no viola objetivo biológico.

• Daño térmico: bajar potencia de excitación, uso de pulsos y refrigeración.

• Artefactos electromagnéticos: apantallamiento, aislamiento MW y uso de referencia in situ.

X. Cronograma tentativo (para un laboratorio equipado)

• Mes 0–1: diseño y fabricación de cavidades toroidales (o adquisición); validación óptica sin muestras.

• Mes 1–2: preparación de constructos/proteínas-qubit y validación de expresión por fluorescencia.

• Mes 2–4: experimentos SNOM y espectroscopía (Experimento 1).

• Mes 3–5: implementación ODMR y mediciones de coherencia (Experimento 2).

• Mes 4–6: Experimentos de acoplamiento y exosomas (3–4) + análisis.
  (Fechas orientativas; ajustar según disponibilidad de instrumentación y aprobaciones.)

Resumen

• Montar una cavidad toroidal microfabricada integrada con muestra biológica y medir modos con SNOM; requisito: SNR ≥ 5 para resonancia identificada. (arXiv, zeiss-campus.magnet.fsu.edu)

• Implementar lectura de proteínas-qubit por ODMR; valores de referencia: contraste 1–8%, T1 ≈ 10^2 μs, T2 (CPMG) ~10–20 μs; planear promediado y secuencias de decoupling. (arXiv, PubMed)

• Evaluar acoplamiento excitando la cavidad y midiendo shifts/fidelidades en la señal del qubit; objetivo medir acoplamiento efectivo $g$ con incertidumbre < 50%.

• Usar EIS/TEER para medir cambios eléctricos ante entrega de exosomas; buscar correlación dosis-respuesta. (bio-protocol.org, PMC)

• Controles estrictos, repetibilidad (réplicas técnicas/biológicas), y criterios estadísticos predefinidos (p < 0.01).

• Si se obtienen señales positivas, pasa a fase de optimización y modelado cuantitativo del Hamiltoniano acoplado.

Referencias 

1. Basharin AA et al., "Dielectric Metamaterials with Toroidal Dipolar Response" — descripción del diseño teórico/experimental de estructuras toroides en rango THz/óptico; útil para diseño de cavidades toroidales. (arXiv)

2. Savinov V. et al., "Toroidal dipole..." (Phys. Rev. B) — fundamento teórico del dipolo toroidal y propiedades electromagnéticas relevantes. (Physical Review)

3. (SNOM/NSOM técnica) — guías técnicas y ejemplos de SNOM aplicado a muestras biológicas, incluido trabajo en líquido para mapeo de campo cercano. Útil para planificación de mapeo espacial de modos. (zeiss-campus.magnet.fsu.edu, PMC)

4. Feder JS et al., "A fluorescent-protein spin qubit" (preprint / artículo reciente) — demuestra viabilidad experimental de proteínas-qubit en células/solución; proporciona cifras de T1/T2 y contrastes observados. Es pieza clave para diseñar ODMR y estimaciones de SNR. (arXiv, PubMed)

5. Gerasimenko T. et al., "Impedance Spectroscopy as a Tool for Monitoring..." — protocolo y recomendaciones para EIS en monocapas celulares y medición TEER/TEC; útil para evaluar cambios eléctricos por exosomas. (PMC, bio-protocol.org)

6. Revisiones sobre exosomas y entrega al SNC (2024–2025) — estado del arte sobre aislamiento, marcado y entrega de exosomas; importante para diseñar manipulación experimental. (PMC)