Un circuito eléctrico capaz de hacer visibles los misterios de la mecánica cuántica en un objeto tan tangible como un chip: este es el logro que llevó al británico John Clarke, el francés Michel Devoret y el estadounidense John M. Martinis a recibir el Premio Nobel de Física 2025, según informó la Real Academia Sueca de Ciencias.
La Real Academia Sueca de Ciencias los distinguió “por el descubrimiento del efecto túnel mecánico cuántico macroscópico y la cuantificación de la energía en un circuito eléctrico”. Este hallazgo transformó fenómenos antes confinados a partículas invisibles en efectos observables en sistemas de gran tamaño.
“La mecánica cuántica, con un siglo de antigüedad, ofrece nuevas sorpresas. Además, es enormemente útil, ya que la mecánica cuántica es la base de toda la tecnología digital”, afirmó Olle Eriksson, presidente del Comité Nobel de Física.
En otras palabras, este Nobel reconoce no solo un logro experimental, sino el inicio de una nueva generación tecnológica que lleva la física cuántica fuera del laboratorio y la instala en la vida cotidiana.
Estos científicos probaron que un circuito eléctrico puede exhibir propiedades cuánticas, una hazaña que revolucionó la forma en que entendemos y aplicamos la física. Lograron que un chip superconductor cambiara de estado al “atravesar” una barrera, un comportamiento imposible bajo las reglas clásicas, pero común en la física cuántica.
En ese chip, observaron el efecto túnel cuántico y la absorción de energía en cantidades discretas, tal como predice la teoría. El experimento permitió ver cómo miles de millones de electrones pueden actuar juntos como una única entidad cuántica gigante.
Esto evidencia que los principios cuánticos no solo rigen el “micromundo”, sino también objetos más grandes y manipulables en el laboratorio.
“La mecánica cuántica describe fenómenos que a veces escapan nuestra intuición: partículas que existen en varios estados a la vez, saltan barreras ‘prohibidas’ o pueden tener energías ‘cuantizadas’. Hasta hace poco, estos efectos parecían exclusivos del mundo de los electrones o átomos, pero el Nobel de este año reconoce que también pueden observarse en circuitos eléctricos que podemos manipular”, detalló a Infobae la doctora en Ciencias Físicas Paula Villar, especialista en sistemas cuánticos y profesora adjunta del departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas de la UBA e investigadora independiente del Conicet.
Villar se dedica a la investigación teórica en el estudio de Fases Geométricas en sistemas cuánticos abiertos, Física de Casimir e implementaciones físicas en circuitos superconductores.
¿En qué se aplica el avance de los Nobel de Física?
Los descubrimientos de Clarke, Devoret y Martinis sostienen varios desarrollos tecnológicos que hoy comienzan a transformar industrias enteras. Entre las aplicaciones más importantes destacan:
- Computadoras cuánticas. Los circuitos superconductores que diseñaron funcionan como bits cuánticos o “qubits”, piezas fundamentales de las computadoras cuánticas. Gracias a esa propiedad, los nuevos sistemas pueden realizar cálculos que superan a cualquier computadora tradicional.
- Criptografía cuántica. Los mismos mecanismos cuánticos permiten sistemas de comunicación ultraseguros, es decir teóricamente infranqueables por hackers, ya que cualquier intento de interceptar la información altera el estado cuántico y delata la intrusión.
- Sensores cuánticos. La sensibilidad extrema de estos sistemas los hace ideales para desarrollar sensores de alta precisión, útiles en medicina, navegación y detección de señales diminutas en física e ingeniería.
- Simulaciones avanzadas. Los llamados “átomos artificiales” creados con este tipo de circuitos permiten simular y estudiar otros sistemas cuánticos, abriendo caminos para explorar materiales con nuevas propiedades.
- Laboratorio de física: “En particular, los circuitos superconductores se han consolidado como una plataforma prometedora para la implementación de simulaciones cuánticas. Su escalabilidad y capacidad de integración con la electrónica convencional la hace ideal para emular una amplia gama de sistemas cuánticos. Investigaciones recientes han demostrado que estos circuitos pueden simular desde campos cuánticos relativistas hasta sistemas de muchos cuerpos, ofreciendo perspectivas innovadoras para el estudio de fenómenos cuánticos complejos”, detalló la investigadora del Conicet.
En cuanto a la computación cuántica, Villar precisó: “Los circuitos superconductores con uniones de Josephson son una de las tecnologías más prometedoras para construir qubits (las “unidades de información cuántica”) que operen con alta fidelidad. Con este tipo de configuración, se pueden diseñar diferentes tipos de qubits utilizando combinaciones adecuadas de uniones de Josephson, capacitores e inductores, controlándolos con campos de microondas. La cQED ya se ha utilizado para manipular decenas de qubits en simulaciones cuánticas y corrección de errores”.
En cuanto al impacto tecnológico, la física argentina señaló que “las bases sentadas por estos trabajos nutren desarrollos en metrología, criptografía cuántica y computación cuántica en el futuro”.
El experimento: del laboratorio al chip
En el corazón de la investigación de Clarke, Devoret y Martinis se encuentra un experimento pionero realizado en la Universidad de California, Berkeley, a mediados de los años 80. Ellos diseñaron un circuito eléctrico compuesto por dos superconductores separados por una delgada capa aislante, formando una unión Josephson. Este sistema permitió reunir miles de millones de electrones en pares de Cooper que se comportan como una única entidad cuántica.
El grupo demostró que el circuito podía pasar de un estado sin voltaje a otro con voltaje mediante el efecto túnel cuántico, fenómeno que implica “atravesar” una barrera energética que, según la física clásica, sería infranqueable. Al exponer el sistema a microondas de diversas longitudes de onda, observaron que solo absorbía energía en cantidades fijas: la cuantización de energía se hizo visible en un objeto macroscópico.
Qué significa el efecto túnel cuántico: el ejemplo de la pelota de tenis
“En los experimentos que valieron el Nobel, los científicos trabajaron con circuitos superconductores que incluían junturas de Josephson. Estas junturas actúan como un “puente” muy fino entre dos superconductores y crean una barrera de energía que los pares de electrones normalmente no podrían superar de manera clásica. Sin embargo, gracias al túnel cuántico, el sistema puede “saltar” a través de esta barrera, mostrando efectos cuánticos en un objeto lo suficientemente grande como para verse y manipularse”, detalló Villar.
La investigadora del Conicet agregó: “En otras palabras, el circuito completo se comporta como un átomo artificial, donde los estados de energía están discretizados y las transiciones entre ellos ocurren de manera cuántica, pese a involucrar millones de electrones”.
El efecto túnel cuántico es uno de los comportamientos más contraintuitivos de la física. El efecto túnel cuántico describe cómo, en el mundo subatómico, una partícula es capaz de atravesar una barrera física, algo que resulta imposible según la física clásica.
Para ilustrarlo, la Real Academia Sueca de Ciencias lo compara con lanzar una pelota de tenis contra una pared y que, en vez de rebotar, la pelota aparezca repentinamente al otro lado, atravesando un muro sin romperlo. Este es uno de los fenómenos más insólitos y fundamentales de la mecánica cuántica.
El avance de Clarke, Devoret y Martinis llevó a la práctica esta teoría, pero en un sistema macroscópico: su experimento utilizó un chip superconductor de aproximadamente un centímetro, poblado por miles de millones de pares de electrones. Lograron así que un circuito eléctrico pasara de un estado a otro como si hubiera “atravesado” una pared, es decir, demostraron el efecto túnel cuántico macroscópico.
Hasta entonces, esos efectos solo se habían observado en sistemas pequeños, con pocas partículas. El trabajo de los galardonados demostró que los comportamientos cuánticos pueden manifestarse en objetos mucho más grandes, cuestionando cuál es el tamaño máximo para observar estos fenómenos.
Además, su sistema absorbía y emitía energía en cantidades discretas, tal como predice la mecánica cuántica, confirmando no solo el efecto túnel, sino también la cuantización de la energía a gran escala.
Este descubrimiento marca un hito porque traslada fenómenos cuánticos, antes limitados al mundo microscópico, a dispositivos que caben en la mano. No solo demuestra la validez de la física cuántica a gran escala, sino que también sienta las bases para tecnologías como la computación cuántica, la criptografía avanzada y los sensores cuánticos.
La electrónica moderna, que ya incorpora principios cuánticos en microchips y transistores, ahora avanza hacia una nueva generación de aplicaciones gracias a estos resultados.
El legado y las perspectivas a futuro
Estos avances impulsan la carrera para desarrollar tecnologías cuánticas de nueva generación. Los circuitos Josephson y la manipulación precisa de estados cuánticos ya permiten la construcción de procesadores experimentales, base de las computadoras cuánticas más prometedoras hasta la fecha. Además, los principios demostrados por este trío sientan las bases de la criptografía irrompible y abren posibilidades para sensores mucho más precisos y simulaciones de materiales exóticos.
La confirmación experimental de que conjuntos masivos de electrones pueden actuar como una única entidad cuántica también fortalece la conexión entre la teoría y la experimentación, y anima a la comunidad científica a explorar nuevas aplicaciones tecnológicas inspiradas en las reglas del mundo cuántico.
John Clarke, nació en Cambridge en 1942, es doctor en física por la Universidad de Cambridge y profesor en la Universidad de California, Berkeley.
Michel H. Devoret, nació en París en 1953, obtuvo su doctorado en la Universidad Paris-Sud y es profesor en la Universidad de Yale y en la Universidad de California, Santa Bárbara.John M. Martinis, nació en 1958, se doctoró en la Universidad de California, Berkeley, y es profesor en la Universidad de California, Santa Bárbara.
Los galardonados recibirán 11 millones de coronas suecas (más de 1 millón de euros) a repartir equitativamente entre los tres.
En 2024, los premiados con el Nobel de Física fueron John J. Hopfield, de la Universidad de Princeton y Geoffrey E. Hinton, de la Universidad de Toronto, por “descubrimientos e inventos fundamentales que permiten el aprendizaje de máquinas y las redes neuronales artificiales”.
