Nobel de Física 2025: El circuito que cruzó una pared

Imaginá una pelotita en el fondo de un pozo, rodeado por una pared. Si no tiene energía suficiente para treparla, queda ahí. Podés esperar sentado: en la física de todos los días, no va a aparecer del otro lado.

Ahora imaginá que la pelotita no es una pelotita, sino un circuito eléctrico enfriado casi hasta el cero absoluto. Y que, sin saltar por encima de la pared, aparece de pronto al otro lado.

Eso es, más o menos, lo que observaron John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis. Digo “más o menos” porque la pelotita es una comparación cómoda, no una descripción literal. Lo que atravesó la barrera fue una variable colectiva de un circuito superconductor: la diferencia de fase entre dos grupos de electrones que se comportaban coordinadamente.

Por ese trabajo, realizado en Berkeley entre 1984 y 1985, los tres recibieron el Nobel de Física 2025, “por el descubrimiento del túnel mecánico cuántico macroscópico y la cuantización de la energía en un circuito eléctrico”.

La idea que yo me llevaría a casa es esta: un circuito lo bastante grande como para sostenerlo con la mano puede comportarse como un átomo, si se lo enfría y aísla lo suficiente.

Dos superconductores y una barrera

Antes de llegar al experimento, necesito construir una pequeña escalera. Prometo no hacerla demasiado larga: los expertos también tuvieron que subirla peldaño por peldaño, y algunos de esos peldaños tenían nombres poco amistosos.

Un superconductor es un material que, cuando se enfría por debajo de cierta temperatura, permite que la corriente eléctrica circule sin resistencia. No es simplemente un cable muy bueno: es un estado colectivo de la materia. Muchos electrones se agrupan en pares y se comportan de manera coordinada.

Ahora poné dos superconductores uno frente al otro y separalos con una capa aislante muy fina. La corriente no debería cruzar un aislante según la física clásica, pero la mecánica cuántica permite que el estado colectivo se extienda de un lado al otro.

A esa estructura se la llama unión Josephson, por el físico Brian Josephson, que predijo sus propiedades en 1962. El efecto había sido observado y estudiado mucho antes del trabajo de Clarke, Devoret y Martinis; de hecho, Josephson compartió el Nobel de Física de 1973 por sus predicciones sobre estas uniones.

Lo especial de la unión no es solamente que pueda circular corriente. También tiene una variable colectiva que se puede medir y controlar: la diferencia de fase entre los dos superconductores. Simplifico un poco, pero podés pensar en la fase como el “ritmo” de una onda. Si las ondas de ambos lados no están exactamente sincronizadas, hay una diferencia de fase entre ellas.

Esa diferencia podía comportarse como la posición de una partícula en un paisaje lleno de valles y lomadas. En el laboratorio, los investigadores aplicaban una corriente para inclinar ese paisaje. La fase quedaba atrapada en un valle y el circuito permanecía en un estado de voltaje cero.

Hasta ahí, nada que obligara a llamar a la policía cuántica.

La pregunta que esperaba en Berkeley

El efecto túnel cuántico ya era conocido. Una partícula puede atravesar una barrera que, según la física clásica, no debería poder atravesar. Es importante no confundir el premio con el descubrimiento de ese fenómeno general.

La pregunta era otra: ¿podía hacerlo una variable colectiva que involucrara una cantidad enorme de partículas?

La intuición decía que los objetos grandes son clásicos. Una pelota no atraviesa una pared. Un vaso no aparece espontáneamente en la habitación de al lado. Y una taza de café, hasta donde sé, no tiene ninguna intención de comportarse como un electrón.

Pero la cuestión no estaba del todo resuelta. El físico Anthony Leggett había desarrollado predicciones teóricas sobre la posibilidad de observar efectos cuánticos macroscópicos en sistemas superconductores. La unión Josephson parecía un candidato especialmente bueno porque ofrecía una variable colectiva bien definida y, al mismo tiempo, permitía conectarla a instrumentos externos.

John Clarke ya trabajaba en superconductores y en detectores muy sensibles en la Universidad de California, Berkeley. Michel Devoret, nacido en Francia, llegó a su laboratorio como investigador posdoctoral desde el centro de Saclay. John Martinis era entonces estudiante de doctorado de Clarke.

Los tres tenían algo bastante práctico entre manos: no sólo discutir si un circuito podía ser cuántico, sino fabricar uno y averiguarlo.

Clarke recordaría después que el premio fue “la sorpresa de mi vida” y que nunca se les había ocurrido que aquel trabajo pudiera merecer un Nobel. Me gusta ese detalle porque muestra algo que suele perderse cuando contamos la historia hacia atrás: nadie trabaja con el cartel de “futuro descubrimiento histórico” colgado del cuello.

Un pozo, una barrera y un salto de voltaje

Voy a simplificar el circuito como si fuera una partícula en un paisaje de valles. Te pido un poco de indulgencia: la imagen no es el circuito, pero permite ver qué midieron.

Cuando la corriente aplicada era menor que cierto valor crítico, la fase quedaba en uno de los valles. La unión estaba en el estado de voltaje cero. Para escapar de ese valle según la física clásica, el sistema tenía que recibir suficiente energía térmica para superar la barrera.

La predicción cuántica ofrecía otra posibilidad. La fase podía atravesar la barrera sin pasar por encima. Cuando eso ocurriera, la unión saltaría al estado de voltaje no nulo.

Frená acá: el experimento no consistió en mirar una partícula atravesando una pared con una cámara diminuta. Consistió en observar un salto repentino de voltaje y comprobar que la frecuencia de esos saltos seguía la predicción del túnel cuántico.

El equipo enfrió las uniones hasta temperaturas de unas pocas decenas de milikelvin: apenas unas centésimas de grado por encima del cero absoluto. Las conectó a líneas con filtros, las protegió de interferencias electromagnéticas y midió cuidadosamente sus propiedades.

Después repetía el procedimiento: aumentaba lentamente la corriente hasta que la unión escapaba del estado de voltaje cero y registraba en qué valor se producía el salto. Una vez no alcanzaba. Ni diez veces. Ni cien. La distribución estadística de muchos saltos permitía calcular la tasa de escape.

La estrategia era muy sólida. Primero medían los parámetros del dispositivo en un régimen donde dominaba la física térmica: la corriente crítica, la capacitancia y el amortiguamiento del circuito. Luego usaban esos valores para predecir qué debía suceder en el régimen cuántico, sin ajustar la teoría para que coincidiera con los datos.

A temperaturas relativamente altas, la tasa de escape se comportaba como esperaba la activación térmica: cuanto más frío, menos probable era que el sistema juntara la energía necesaria para superar la barrera.

Pero al bajar de aproximadamente 25 milikelvin, la tasa dejó de cambiar de la manera esperada. Se estabilizó. El sistema seguía escapando aunque la energía térmica ya no alcanzara para explicar esos saltos.

La predicción cuántica coincidió con las mediciones sin parámetros ajustables. En el artículo publicado en 1985, los investigadores describieron ese resultado como evidencia del túnel cuántico macroscópico.

El ruido también quería llevarse el Nobel

Había un problema: un experimento así podía engañarse a sí mismo.

Tal vez la unión no estaba tan fría como parecía. Tal vez algún cable llevaba ruido electromagnético. Tal vez el ambiente calentaba de manera imperceptible la resistencia del circuito. Tal vez el supuesto túnel cuántico era, en realidad, una fluctuación clásica con muy buen marketing.

Por eso los investigadores filtraron las líneas eléctricas con enorme cuidado y encerraron el montaje en una sala protegida. En una de sus configuraciones, los filtros atenuaban más de 200 decibelios las señales entre 0,1 y 12 gigahercios. No hace falta recordar la cifra: alcanza con saber que intentaban que al circuito no le llegara ni el equivalente eléctrico de un estornudo.

También hicieron un control decisivo. Redujeron la corriente crítica usando un campo magnético. Así conseguían que la unión permaneciera en el régimen térmico incluso a muy bajas temperaturas. En esa condición, la tasa de escape continuaba siguiendo la predicción clásica.

Eso indicaba que el aplanamiento observado en la configuración principal no era simplemente ruido externo. Cuando el circuito estaba diseñado para comportarse clásicamente, lo hacía. Cuando estaba en las condiciones adecuadas, aparecía el comportamiento cuántico.

Los tres investigadores no fueron los únicos que buscaban estos efectos. Otros grupos habían obtenido resultados relacionados con el túnel macroscópico y con la influencia del ambiente. Había dudas razonables sobre cuál de los experimentos ofrecía una prueba suficientemente limpia. La ventaja del equipo de Berkeley fue combinar aislamiento, mediciones independientes y una comparación cuantitativa con la teoría.

El circuito también tenía escalones

El túnel no fue la única evidencia. El grupo quería demostrar además que la energía del circuito no podía variar de cualquier manera.

En el mundo clásico, un oscilador puede tener, al menos en principio, cualquier energía. En un sistema cuántico, en cambio, existen niveles permitidos. Un electrón en un átomo no puede absorber una cantidad arbitraria de energía: puede saltar entre niveles concretos.

La unión Josephson funcionaba como un oscilador especial, no perfectamente armonioso. Esa imperfección era útil porque hacía que los niveles no estuvieran todos separados por la misma distancia. Así podían distinguirse de una vibración clásica ordinaria.

Los investigadores enviaron microondas al circuito. Las microondas son radiación electromagnética, del mismo tipo general que se usa en un horno de cocina, aunque aquí se aplicaban con un control muchísimo más fino y con otra finalidad, por supuesto: no querían cocinar el circuito.

Cuando la frecuencia de las microondas coincidía con la diferencia entre dos niveles de energía, aumentaba la probabilidad de escape. Al modificar la corriente aplicada, cambiaba la separación entre niveles y aparecían resonancias en posiciones específicas.

Observaron varios picos de resonancia y calcularon dónde debían aparecer usando los parámetros medidos previamente. Los picos reales coincidieron con los calculados.

Eso proporcionaba una segunda confirmación independiente: el circuito no sólo podía atravesar una barrera mediante túnel, sino que además absorbía energía en cantidades discretas. En otras palabras, tenía escalones.

El artículo de 1985 sobre esta parte se tituló “Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction” y fue publicado por Martinis, Devoret y Clarke.

Lo macroscópico no era una pelota gigante

Acá conviene detener una confusión posible. El circuito era macroscópico: podía sostenerse con la mano y contenía una cantidad enorme de electrones. Pero no era una pelota gigante que estuviera al mismo tiempo en dos lugares ni un objeto cotidiano atravesando una pared.

Lo que se comportaba cuánticamente era una variable colectiva: la diferencia de fase entre los superconductores. La corriente estaba formada por pares de Cooper que actuaban de manera coordinada, de modo que el sistema podía describirse, en ciertos aspectos, como una sola entidad cuántica.

La palabra “macroscópico” señala justamente eso: una cantidad enorme de partículas participaba en un único comportamiento colectivo observable. No significa que todas las propiedades microscópicas de cada electrón fueran idénticas ni que el circuito dejara de tener una estructura interna.

El resultado más lindo —a mí me parece el más lindo— es que el circuito no era sólo una versión grande de algo pequeño. Era un objeto fabricado por humanos con niveles de energía diseñados y medibles. Los investigadores habían construido una especie de átomo artificial, aunque con cables alrededor y un refrigerador del tamaño de una habitación. La naturaleza, en ocasiones, acepta ser ingeniera electrónica.

De Berkeley a los qubits

En 1985, el objetivo principal era responder una pregunta de física fundamental. No estaban construyendo una computadora cuántica comercial ni sabían exactamente qué industrias se beneficiarían décadas después.

Con el tiempo, esos circuitos se convirtieron en una de las plataformas principales para fabricar qubits superconductores. Un qubit es una unidad de información cuántica que puede utilizar dos estados y sus superposiciones. Las uniones Josephson permiten diseñar esos estados, modificar sus frecuencias y acoplarlos a otros circuitos mediante microondas.

Michel Devoret siguió trabajando en física de circuitos cuánticos en Yale. John Martinis continuó en la Universidad de California, Santa Barbara, y trabajó también en proyectos de computación cuántica. John Clarke, por su parte, siguió desarrollando detectores superconductores y amplificadores de muy bajo ruido, algunos de los cuales se usan para leer qubits.

Esto no significa que el experimento de Berkeley haya creado directamente las computadoras cuánticas actuales. Entre aquella unión de 1985 y los procesadores contemporáneos hubo cuatro décadas de avances en fabricación, materiales, control, criogenia y corrección de errores.

Tampoco significa que la computadora cuántica práctica ya esté resuelta. Devoret lo dijo con bastante claridad después de recibir el premio: el ordenador cuántico “todavía no está aquí”. Los qubits siguen siendo frágiles, pierden coherencia y cometen errores. Que podamos fabricar un átomo artificial no implica que podamos armar una computadora útil con miles o millones de ellos sin que se desordenen.

Cuarenta años después

Los experimentos premiados se publicaron en 1984 y 1985. El Nobel llegó el 7 de octubre de 2025, unos cuarenta años después.

El retraso no vuelve menos importante al descubrimiento. En este caso, permite ver algo interesante: la utilidad de una idea fundamental puede tardar décadas en hacerse visible. Clarke, Devoret y Martinis demostraron que un circuito podía exhibir túnel cuántico y niveles de energía discretos. Después, otros investigadores aprendieron a controlar esos niveles, acoplar circuitos y usarlos como qubits.

Hasta donde sé, la frontera entre lo clásico y lo cuántico no tiene un cartel que diga “de acá para allá”. Depende del tamaño, sí, pero también del ruido, la temperatura y cuánto se acople el sistema con el ambiente. Un circuito grande puede conservar un comportamiento cuántico si se lo trata con una delicadeza casi absurda.

Y ahí queda la imagen que a mí más me gusta: en un laboratorio de Berkeley, dentro de un circuito enfriado casi hasta el cero absoluto, una variable colectiva encontró un camino a través de una barrera que la física clásica le prohibía cruzar. No saltó por encima: hizo túnel.