Premio Nobel de Física 2025 a Clarke, Devoret y Martinis por sus hallazgos en mecánica cuántica

La Real Academia de las Ciencias de Suecia ha otorgado este martes el Nobel de Física a los científicos John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis por "el descubrimiento del efecto túnel macroscópico de la mecánica cuántica". "Sus experimentos en un chip revelaron la física cuántica en acción", ha asegurado esta mañana el jurado en el anuncio del Nobel.

Una de las grandes preguntas de la física es cuál es el tamaño máximo de un sistema que puede mostrar efectos mecánico-cuánticos. Los galardonados con el Premio Nobel de este año realizaron experimentos con un circuito eléctrico en el que demostraron tanto el efecto túnel cuántico como los niveles de energía cuantizados en un sistema lo bastante grande como para sostenerlo con la mano.

La mecánica cuántica describe propiedades que son relevantes a una escala que involucra partículas individuales. En física cuántica, estos fenómenos se llaman microscópicos, incluso cuando son más pequeños de lo que puede verse con un microscopio óptico. En contraste, los fenómenos macroscópicos consisten en un gran número de partículas.

Por ejemplo, una pelota cotidiana está formada por una cantidad astronómica de moléculas y no muestra efectos mecánico-cuánticos. Sabemos que la pelota rebotará cada vez que la lancemos contra una pared. Sin embargo, una partícula individual, en su mundo microscópico, a veces puede atravesar una barrera equivalente y aparecer al otro lado. Este fenómeno cuántico se llama efecto túnel.

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El Premio Nobel de Física de este año reconoce experimentos que demostraron cómo el efecto túnel cuántico puede observarse a escala macroscópica, involucrando muchas partículas. En 1984 y 1985, John Clarke, Michel Devoret y John Martinis llevaron a cabo una serie de experimentos en la Universidad de California, Berkeley. Construyeron un circuito eléctrico con dos superconductores —componentes que pueden conducir corriente sin ninguna resistencia eléctrica—, separados por una delgada capa de material que no conduce corriente alguna. En ese experimento, demostraron que podían controlar e investigar un fenómeno en el que todas las partículas cargadas en el superconductor se comportaban al unísono, como si fueran una única partícula que llenara todo el circuito.

Este sistema con comportamiento similar al de una partícula queda atrapado en un estado en el cual la corriente fluye sin ningún voltaje, un estado del que no tiene suficiente energía para escapar. En el experimento, el sistema manifiesta su carácter cuántico usando el efecto túnel para escapar del estado de voltaje cero, generando una diferencia de voltaje. Los laureados también pudieron demostrar que el sistema está cuantizado, lo que significa que solo absorbe o emite energía en cantidades específicas.

"Me parece un Nobel muy merecido. Sus experimentos han sido cruciales para los avances en tecnologías superconductoras y que, hoy en día, se utilizan en muchos ámbitos, en particular en los ordenadores cuánticos", ha asegurado en declaraciones a Science Media Center (SMC) el español Ignacio Cirac, director de la División de Teoría del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania), y uno de los científicos que siempre aparece en las quinielas al Nobel de Física.

Alba Cervera, Investigadora experta en computación cuántica en el Barcelona Supercomputing Center y coordinadora de Quantum Spain, ha asegurado también al SMC que "este Nobel sigue la estela del Nobel de Física de 2022 a los pioneros de la información cuántica. En este caso, se premia el desarrollo de la física necesaria para poder explotar la información cuántica para fabricar tecnología. Muchos ordenadores cuánticos actuales están fabricados con cúbits superconductores, es decir, usando los principios que los galardonados de este año desarrollaron. Para alguien que trabaja en computación cuántica como yo, considero que es un Nobel que reconoce, entre otros, los grandes avances que está habiendo en este campo".

Túneles y 'atravesamientos'

Para ayudarse en su trabajo, los laureados contaron con conceptos y herramientas experimentales desarrolladas durante décadas. Junto con la teoría de la relatividad, la física cuántica es la base de lo que se conoce como física moderna, y los investigadores han dedicado el último siglo a explorar sus implicaciones.

La capacidad de las partículas individuales para tunelizar es bien conocida. En 1928, el físico George Gamow comprendió que el efecto túnel es la razón por la cual algunos núcleos atómicos pesados tienden a decaer de una manera particular. La interacción entre las fuerzas del núcleo crea una barrera que lo rodea, manteniendo confinadas a las partículas que contiene. Sin embargo, algunas veces una pequeña parte del núcleo atómico puede “romperse” y aparecer fuera de esa barrera mediante efecto túnel, dejando atrás un núcleo transformado en otro elemento. Sin efecto túnel, este tipo de desintegración nuclear no podría ocurrir.

El efecto túnel es un proceso mecánico-cuántico que implica azar. Algunos núcleos atómicos tienen barreras altas y anchas, por lo que puede tardar bastante en que parte del núcleo aparezca fuera de ella, mientras que otros decaen más fácilmente. Si solo miramos un átomo, no podemos predecir con certeza cuándo ocurrirá el túnel, pero observando un gran número de núcleos iguales, podemos medir un tiempo promedio (como la semivida).

Los físicos se preguntaban si sería posible investigar un tipo de tunelización que involucrara más de una partícula a la vez. Una de las estrategias para esos nuevos experimentos se originó en un fenómeno que aparece cuando ciertos materiales se enfrían muchísimo.

En un material conductor normal, la corriente fluye porque hay electrones libres para moverse. En algunos materiales, esos electrones pueden organizarse en pares, denominadas parejas de Cooper, y moverse sin resistencia: el material se convierte en superconductor. Las parejas de Cooper pueden comportarse como una única entidad cuántica. En el lenguaje de la mecánica cuántica, se describen mediante una función de onda única que describe probabilidades del sistema.

Si dos superconductores se unen con una barrera delgada aislante entre ellos, se forma una unión Josephson. Este componente fue bautizado en honor a Brian Josephson, quien realizó cálculos cuántico-mecánicos sobre estas uniones (Premio Nobel de Física 1973). Descubrió que surgen fenómenos interesantes cuando las funciones de onda de cada lado de la unión interactúan. Las uniones Josephson pronto encontraron aplicaciones en mediciones precisas de constantes físicas fundamentales y campos magnéticos, y también se convirtieron en herramientas para explorar los fundamentos de la física cuántica de nuevas maneras.

Utilidad práctica y teórica

Este experimento tiene consecuencias importantes para el entendimiento de la mecánica cuántica: creó un efecto macroscópico —un voltaje medible— a partir de un estado que ya era macroscópico, en forma de una función de onda compartida por un gran número de partículas.

Teóricos como Anthony Leggett han comparado el sistema cuántico macroscópico de los laureados con el famoso experimento mental del gato de Schrödinger, en el que el gato estaría vivo y muerto al mismo tiempo si no se lo observa. (Erwin Schrödinger recibió el Premio Nobel de Física en 1933).

El objetivo de ese experimento mental era mostrar lo absurdo de esa situación, porque las propiedades especiales de la mecánica cuántica suelen borrarse a escala macroscópica. Las propiedades cuánticas de un gato entero no pueden demostrarse en un experimento de laboratorio. Sin embargo, Leggett ha argumentado que la serie de experimentos de Clarke, Devoret y Martinis muestran que hay fenómenos que implican vastas cantidades de partículas que se comportan exactamente como predice la mecánica cuántica.