–«Cuando lanzas una pelota contra una pared, puedes estar seguro de que rebotará hacia ti. Te sorprendería muchísimo si la pelota apareciera de repente al otro lado de una pared sólida. Este es exactamente el tipo de fenómeno que ha dado a la física cuántica la reputación de ser extraña y poco intuitiva». Así, la academia sueca ilustró el logro de los galardonados este año con el Premio Nobel de Física.

La mecánica cuántica, explica, permite que una partícula se mueva directamente a través de una barrera, mediante un proceso llamado tunelización. Tan pronto como intervienen grandes cantidades de partículas, los efectos de la mecánica cuántica suelen volverse insignificantes. Los experimentos de laureados demostraron que las propiedades de la mecánica cuántica pueden concretarse a escala macroscópica. “Esto lleva la física cuántica del mundo subatómico a un chip”, precisó.

Advierte que una cuestión importante en física es el tamaño máximo de un sistema que puede demostrar efectos mecánicos cuánticos.

La Real Academia Sueca de Ciencias concedió el Premio Nobel de Física 2025 a Juan Clarke, de la Universidad de California, Berkeley, Estados Unidos; a Michel H. Devoret, de la Universidad de Yale, New Haven, CT y
Universidad de California, Santa Bárbara, Estados Unidos; y a Juan M. Martinis Universidad de California, Santa Bárbara, Estados Unidos, por “el descubrimiento de túneles mecánicos cuánticos macroscópicos y cuantificación de energía en un circuito eléctrico”.

Estos científicos realizaron experimentos con un circuito eléctrico en el que demostraron tanto túneles mecánicos cuánticos como niveles de energía cuantificados en un sistema lo suficientemente grande como para sostenerlo en la mano.

Así demostraron que las extrañas propiedades del mundo cuántico pueden concretarse en un sistema lo suficientemente grande como para sostenerlo en la mano. Su sistema eléctrico superconductor podía pasar de un estado a otro, como si pasara directamente a través de una pared. También demostraron que el sistema absorbía y emitía energía en dosis de tamaños específicos, tal como lo predijo la mecánica cuántica.

En 1984 y 1985, Juan Clarke, Michel H. Devoret y Juan M. Martinis realizó una serie de experimentos con un circuito electrónico construido con superconductores, componentes que pueden conducir una corriente sin resistencia eléctrica. En el circuito, los componentes superconductores estaban separados por una fina capa de material no conductor, una configuración conocida como unión Josephson. Al refinar y medir todas las diversas propiedades de su circuito, pudieron controlar y explorar los fenómenos que surgían cuando pasaban una corriente a través de él. Juntas, las partículas cargadas que se movían a través del superconductor formaban un sistema que se comportaba como si fueran una sola partícula que llenaba todo el circuito.

Este sistema macroscópico similar a una partícula se encuentra inicialmente en un estado en el que la corriente fluye sin ningún voltaje. El sistema queda atrapado en este estado, como detrás de una barrera que no puede cruzar. En el experimento, el sistema muestra su carácter cuántico al lograr escapar del estado de voltaje cero mediante túneles. El cambio de estado del sistema se detecta mediante la aparición de un voltaje.

Los galardonados también pudieron demostrar que el sistema se comporta de la manera predicha por la mecánica cuántica – está cuantificado, lo que significa que sólo absorbe o emite cantidades específicas de energía.

“Es maravilloso poder celebrar la forma en que la mecánica cuántica centenaria ofrece continuamente nuevas sorpresas. También es enormemente útil, ya que la mecánica cuántica es la base de toda la tecnología digital”, afirma Olle Eriksson, presidente del Comité Nobel de Física.

Los transistores en los microchips de las computadoras son un ejemplo de la tecnología cuántica establecida que nos rodea. El Premio Nobel de Física de este año ha brindado oportunidades para desarrollar la próxima generación de tecnología cuántica, incluida la criptografía cuántica, las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos.

Una serie de experimentos innovadores

La mecánica cuántica describe propiedades que son significativas en una escala que involucra partículas individuales. En física cuántica, estos fenómenos se denominan microscópico, incluso cuando son mucho más pequeños de lo que se puede ver con un microscopio óptico. Esto contrasta con macroscópico fenomena, que están formadas por una gran cantidad de partículas. Por ejemplo, una pelota cotidiana está formada por una cantidad astronómica de moléculas y no muestra efectos mecánicos cuánticos. Sabemos que la pelota rebotará cada vez que sea lanzada contra una pared. Sin embargo, una sola partícula a veces pasará directamente a través de una barrera equivalente en su mundo microscópico y aparecerá en el otro lado. Este fenómeno mecánico cuántico se llama túneles.

El Premio Nobel de Física de este año reconoce experimentos que demostraron cómo se pueden observar túneles cuánticos a escala macroscópica, involucrando muchas partículas. En 1984 y 1985, John Clarke, Michel Devoret y John Martinis realizaron una serie de experimentos en la Universidad de California, Berkeley. Construyeron un circuito eléctrico con dos superconductores, componentes que pueden conducir una corriente sin ninguna resistencia eléctrica. Los separaron con una fina capa de material que no conducía ninguna corriente. En este experimento, demostraron que podían controlar e investigar un fenómeno en el que todas las partículas cargadas del superconductor se comportan al unísono, como si fueran una sola partícula que llena todo el circuito.

Este sistema similar a una partícula está atrapado en un estado en el que la corriente fluye sin ningún voltaje – un estado del que no tiene suficiente energía para escapar. En el experimento, el sistema muestra su carácter cuántico mediante el uso de túneles para escapar del estado de voltaje cero, generando un voltaje eléctrico. Los galardonados también pudieron demostrar que el sistema está cuantificado, lo que significa que sólo absorbe o emite energía en cantidades específicas.

Túneles y cruces

Para ayudarlos, los galardonados contaban con conceptos y herramientas experimentales que se habían desarrollado durante décadas. Junto con la teoría de la relatividad, la física cuántica es la base de lo que se ha dado en llamar física moderna, y los investigadores han pasado el último siglo explorando lo que implica.

La capacidad de las partículas individuales’ para hacer túneles es bien conocida. En 1928, el físico George Gamow se dio cuenta de que la construcción de túneles es la razón por la que algunos núcleos atómicos pesados tienden a desintegrarse de una manera particular. La interacción entre las fuerzas del núcleo crea una barrera a su alrededor, reteniendo las partículas que contiene. Sin embargo, a pesar de esto, un pequeño trozo del núcleo atómico a veces puede separarse, salir de la barrera y escapar – dejando atrás un núcleo que se ha transformado en otro elemento. Sin túneles, este tipo de desintegración nuclear no podría ocurrir.

La tunelización es un proceso mecánico cuántico, lo que implica que el azar juega un papel. Algunos tipos de núcleos atómicos tienen una barrera alta y ancha, por lo que puede pasar mucho tiempo hasta que un trozo del núcleo aparezca fuera de ella, mientras que otros tipos se desintegran más fácilmente. Si sólo observamos un solo átomo, no podemos predecir cuándo sucederá esto, pero al observar la desintegración de una gran cantidad de núcleos del mismo tipo, podemos medir un tiempo esperado antes de que se produzca la construcción de túneles. La forma más común de describir esto es a través del concepto de vida media, que es el tiempo que tarda la mitad de los núcleos de una muestra en desintegrarse.

Los físicos se apresuraron a preguntarse si sería posible investigar un tipo de túnel que involucrara más de una partícula a la vez. Una aproximación a nuevos tipos de experimentos se originó en un fenómeno que surge cuando algunos materiales se enfrían extremadamente.

En un material conductor ordinario, la corriente fluye porque hay electrones que son libres de moverse a través de todo el material. En algunos materiales, los electrones individuales que se abren paso a través del conductor pueden organizarse, formando una danza sincronizada que fluye sin ninguna resistencia. El material se ha convertido en un superconductor y los electrones están unidos entre sí en pares. Estos se llaman pares de Cooper, en honor a León Cooper quien, junto con Juan Bardeen y Robert Schrieffer, proporcionó una descripción detallada de cómo funcionan los superconductores (Premio Nobel de Física 1972).

Los pares de Cooper se comportan de forma completamente diferente a los electrones ordinarios. Los electrones tienen una gran integridad y les gusta mantenerse alejados unos de otros – dos electrones no pueden estar en el mismo lugar si tienen las mismas propiedades. Podemos ver esto en un átomo, por ejemplo, donde los electrones se dividen en diferentes niveles de energía, llamados capas. Sin embargo, cuando los electrones de un superconductor se unen como pares, pierden un poco de su individualidad; si bien dos electrones separados siempre son distintos, dos pares de Cooper pueden ser exactamente iguales. Esto significa que los pares de Cooper en un superconductor pueden describirse como una sola unidad, un sistema mecánico cuántico. En el lenguaje de la mecánica cuántica, se describen entonces como un único función de onda. Esta función de onda describe la probabilidad de observar el sistema en un estado determinado y con propiedades determinadas.

En un conductor normal, los electrones chocan entre sí y con el material. Cuando un material se convierte en superconductor, los electrones se unen en pares, pares de Cooper, y forman una corriente donde no hay resistencia.

Si dos superconductores se unen entre sí con una fina barrera aislante entre ellos, se crea una unión Josephson. Este componente lleva el nombre de Brian Josephson, quien realizó cálculos mecánicos cuánticos para la unión. Descubrió que surgen fenómenos interesantes cuando se consideran las funciones de onda a cada lado de la unión (Premio Nobel de Física 1973). La unión Josephson encontró rápidamente áreas de aplicación, incluso en mediciones precisas de constantes físicas fundamentales y campos magnéticos.

La construcción también proporcionó herramientas para explorar los fundamentos de la física cuántica de una manera nueva. Una persona que lo hizo fue Antonio Leggett (Premio Nobel de Física 2003), cuyo trabajo teórico sobre túneles cuánticos macroscópicos en una unión Josephson inspiró nuevos tipos de experimentos. (Información Real Academia Sueca de Ciencias).