Propiedades cuánticas a escala humana

Los laureados con el Premio Nobel de Física 2025, John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis, realizaron una serie de experimentos que demostraron que las extrañas propiedades del mundo cuántico pueden hacerse tangibles en un sistema lo bastante grande como para sostenerlo en la mano. Su sistema eléctrico superconductor podía atravesar una barrera pasando de un estado a otro, como si cruzara un muro. También mostraron que el sistema absorbía y emitía energía en cantidades discretas, tal como predice la mecánica cuántica.

Una serie de experimentos revolucionarios

La mecánica cuántica describe propiedades que se manifiestan en escalas diminutas, donde intervienen partículas individuales. En física cuántica se habla de fenómenos “microscópicos”, incluso cuando son mucho más pequeños de lo que puede observar un microscopio óptico. En contraste, los fenómenos “macroscópicos” involucran grandes cantidades de partículas. Por ejemplo, una pelota cualquiera está formada por un número astronómico de moléculas y no muestra efectos cuánticos: sabemos que rebotará siempre que la lancemos contra una pared. Pero una sola partícula, en su mundo microscópico, a veces puede atravesar una barrera y aparecer al otro lado. Este fenómeno cuántico se llama efecto túnel.

Este año, el Premio Nobel de Física reconoce experimentos que demostraron cómo el túnel cuántico puede observarse a escala macroscópica, en sistemas con muchísimas partículas. En 1984 y 1985, John Clarke, Michel Devoret y John Martinis realizaron una serie de experimentos en la Universidad de California en Berkeley. Construyeron un circuito eléctrico con dos superconductores —materiales que conducen corriente sin resistencia eléctrica— separados por una capa delgada aislante. En su experimento demostraron que podían controlar y estudiar un fenómeno en el que todas las partículas cargadas del superconductor se comportaban al unísono, como si fueran una sola partícula que llenara todo el circuito.

Este sistema “partícula” quedaba atrapado en un estado en el que fluía corriente sin voltaje, del que no podía escapar por falta de energía. En el experimento, el sistema mostraba su carácter cuántico tuneleando fuera de ese estado de voltaje cero y generando una diferencia de potencial. Los laureados también demostraron que el sistema estaba cuantizado, es decir, que sólo absorbía o emitía energía en valores discretos.

Túneles y transiciones

Los laureados contaban con décadas de avances teóricos y experimentales. Junto con la relatividad, la mecánica cuántica constituye el pilar de la física moderna, y durante el último siglo la comunidad científica ha explorado sus implicaciones.

El efecto túnel de partículas individuales se conoce desde 1928, cuando el físico George Gamow descubrió que era la causa de cierto tipo de desintegración nuclear. Las fuerzas del núcleo crean una barrera que encierra las partículas, pero de vez en cuando un fragmento logra escapar, transformando el átomo en otro elemento. Sin el túnel cuántico, esa desintegración —conocida como emisión alfa— no podría ocurrir.

Este proceso es probabilístico: algunos núcleos tienen una barrera más alta y tardan más en decaer; otros lo hacen más fácilmente. No se puede predecir el momento exacto en que un solo átomo se desintegrará, pero observando muchos se puede calcular un tiempo medio, conocido como vida media.

Durante décadas, los físicos se preguntaron si sería posible observar el túnel cuántico en sistemas que contuvieran más de una partícula. Una pista vino de los materiales que, al enfriarse mucho, se vuelven superconductores.

En un material conductor normal, los electrones se mueven libremente. Pero al alcanzar temperaturas extremadamente bajas, algunos materiales hacen que los electrones se organicen en pares sincronizados que se desplazan sin resistencia: los llamados pares de Cooper. (Leon Cooper compartió el Nobel de Física de 1972 con John Bardeen y Robert Schrieffer por describir la superconductividad).

Estos pares de Cooper se comportan de forma colectiva. Mientras que los electrones aislados mantienen su individualidad, los pares se comportan como un único sistema cuántico que puede describirse mediante una sola función de onda, que indica la probabilidad de que el sistema esté en un determinado estado.

Cuando dos superconductores se unen con una fina barrera aislante, se forma una unión Josephson, nombre que honra a Brian Josephson, quien predijo sus propiedades cuánticas (Premio Nobel de Física 1973). Estas uniones pronto encontraron aplicaciones, desde medidas precisas de constantes físicas hasta detectores de campos magnéticos. También se convirtieron en una poderosa herramienta para explorar los fundamentos de la mecánica cuántica.

Uno de los teóricos que más influyó en este campo fue Anthony Leggett (Nobel de Física 2003), cuyo trabajo sobre el túnel cuántico macroscópico inspiró los experimentos de Clarke, Devoret y Martinis.

El grupo de investigación y el experimento

John Clarke, profesor en la Universidad de California, Berkeley, tras doctorarse en Cambridge en 1968, había dedicado su carrera al estudio de fenómenos superconductores y de las uniones Josephson. A mediados de los años 80, su equipo incorporó al joven doctor Michel Devoret y al doctorando John Martinis. Juntos emprendieron el desafío de demostrar el túnel cuántico macroscópico.

Su circuito debía aislarse cuidadosamente de cualquier interferencia externa. Lograron medir con precisión las propiedades de su dispositivo y observar que, al aplicar una corriente débil, el voltaje permanecía en cero… hasta que, de repente, el sistema saltaba cuánticamente al estado de voltaje. Repitieron el experimento muchas veces y representaron los resultados estadísticamente, igual que se hace al medir la vida media de un material radiactivo.

El fenómeno demostraba que todos esos pares se comportaban como una sola partícula gigante. Los investigadores confirmaron su naturaleza cuántica al introducir microondas: el sistema absorbía solo ciertas longitudes de onda y saltaba a niveles de energía superiores, acortando la duración del estado sin voltaje, justo como predice la mecánica cuántica.

Beneficio práctico y teórico

El experimento tuvo profundas consecuencias. Mientras que muchos efectos cuánticos macroscópicos —como los láseres o la superconductividad— surgen de la suma de miles de fenómenos microscópicos, este experimento generó un efecto macroscópico (un voltaje medible) a partir de un estado que ya era macroscópico, descrito por una única función de onda colectiva.

Anthony Leggett comparó el sistema cuántico macroscópico de los laureados con el famoso gato de Schrödinger, vivo y muerto a la vez en la paradoja cuántica ideada por Erwin Schrödinger (Nobel de Física 1933). Aunque el sistema experimental era mucho más pequeño que un gato —o incluso que un gatito—, demostraba que muchas partículas pueden comportarse conjuntamente según las reglas cuánticas, algo impensable en tiempos de Schrödinger.

Estos estados cuánticos macroscópicos abren la puerta a nuevos experimentos y tecnologías. Pueden considerarse átomos artificiales a gran escala, con cables y conexiones, útiles para simular otros sistemas cuánticos o para construir nuevas herramientas tecnológicas.

De hecho, años después, John Martinis utilizó esta misma idea para desarrollar un bit cuántico (qubit), donde los dos primeros niveles de energía funcionaban como 0 y 1. Los circuitos superconductores siguen siendo una de las vías más prometedoras para construir ordenadores cuánticos.

Así, los laureados de este año han contribuido tanto al avance práctico de la física experimental como a una comprensión más profunda del mundo cuántico.

Fuente de la información: Popular information. Nobelprize.org. Nobel Prize Outreach 2025. Mon. Oct 13 2025.

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