Qué es el efecto túnel cuántico que ganó el Premio Nobel de Física 2025 y qué significa para el futuro

El Premio Nobel de Física 2025 se otorga a John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis por su descubrimiento del efecto túnel macroscópico y la cuantificación de la energía en un circuito eléctrico. Tras el anuncio ayer de los ganadores del Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2025, otorgado a Mary E. Brunkow, Fred Ramsdell y Shimon Sakaguchi por sus descubrimientos en la tolerancia inmunológica, continúa la Semana del Premio Nobel.

La motivación para el Premio Nobel de Física 2025

Una de las principales preguntas en física es el tamaño máximo de un sistema capaz de demostrar los efectos de la mecánica cuántica, que permite que una partícula atraviese una barrera en línea recta mediante un proceso denominado efecto túnel cuántico. Sin embargo, al involucrar un gran número de partículas, los efectos de la mecánica cuántica suelen volverse insignificantes. Los ganadores del Premio Nobel de Física 2025 realizaron sus experimentos con un circuito eléctrico, en el que revelaron la física cuántica en acción, demostrando tanto el efecto túnel cuántico como los niveles de energía cuantizados en un sistema lo suficientemente grande como para sostenerlo en la mano, y por lo tanto a escala macroscópica. “El Premio Nobel de Física de este año ha brindado oportunidades para el desarrollo de la próxima generación de tecnología cuántica, incluyendo la criptografía cuántica, las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos”, explica el comité.

John Clarke, de la Universidad de California en Berkeley (EE UU), Michel H. Devoret, de la Universidad de Yale y la Universidad de California en Santa Bárbara (EE UU), y John M. Martinis, de la Universidad de California en Santa Bárbara (EE UU), recibieron el galardón que reconoce una serie de descubrimientos y experimentos que no solo han mejorado nuestra comprensión de la «frontera» entre el mundo microscópico, en el que se aplican las leyes de la mecánica cuántica, y el mundo macroscópico, sino que también han allanado el camino para numerosas aplicaciones en diversos campos, incluido el desarrollo y perfeccionamiento de los chips subyacentes a los procesadores cuánticos de las computadoras del futuro.

El efecto túnel y la cuantificación de la energía

El premio se concedió específicamente «por el descubrimiento del efecto túnel cuántico macroscópico y la cuantificación de la energía en un circuito eléctrico». La palabra clave de esta frase es «macroscópico»: de hecho, la motivación encierra uno de los logros experimentales más profundos y significativos de la física moderna, a saber, la demostración de que las leyes contraintuitivas del mundo subatómico, en determinadas condiciones, pueden manifestarse en un sistema físico «lo suficientemente grande como para sostenerlo en la mano». El trabajo de los Premios Nobel de Física de este año aborda una cuestión fundamental que lleva casi un siglo preocupando a los físicos: ¿dónde acaba el dominio de la mecánica cuántica y dónde empieza el de la física clásica, con las leyes que rigen nuestra experiencia cotidiana? Mediante una serie de experimentos realizados a mediados de los años 80, los tres construyeron un circuito eléctrico superconductor y lo «forzaron » a revelar su naturaleza cuántica intrínseca, observando cómo todo un sistema (macroscópico, para ser precisos) compuesto por miles de millones de partículas se comportaba como una única entidad cuántica, capaz de «atravesar» una barrera energética. Es el llamado efecto túnel: con un poco de imaginación y simplificando, se puede imaginar como el «transporte» de un objeto de una habitación a otra atravesando una puerta cerrada. En el mundo cuántico, el fenómeno era bien conocido, observado y notorio; observarlo en el mundo macroscópico, sin embargo, era otra historia.

La motivación del premio, como es lógico, también hace mención a la cuantificación de la energía: la demostración de ambos fenómenos en el mismo sistema era la prueba contundente de que el circuito no se comportaba como un simple agregado de partículas, sino precisamente como una única entidad cuántica coherente. La observación del efecto túnel macroscópico reveló su comportamiento colectivo, mientras que la demostración posterior de que sus niveles cuánticos eran discretos (es decir, cuantificados, no continuos) confirmó que este comportamiento obedecía a las mismas reglas fundamentales a las que está sujeto un único átomo. Esta doble confirmación sentó las bases de la segunda revolución cuántica y de las tecnologías que hoy prometen redefinir la informática, la comunicación y la detección.

Un poco de historia

El descubrimiento premiado fue el resultado de una colaboración que comenzó a mediados de los 80 en el departamento de física de Berkeley. Al frente del grupo estaba John Clarke, ya conocido por su trabajo en el campo de la superconductividad; junto a él estaban Michel Devoret, entonces un joven posdoctorando francés, y John Martinis, un estudiante de doctorado. Sin embargo, para comprender el alcance del trabajo de los tres físicos, es necesario conocer algunos antecedentes. La física del último siglo se ha desarrollado esencialmente sobre dos «pilares» aparentemente irreconciliables: por un lado, la física clásica, que describe con precisión el mundo macroscópico que experimentamos cada día (por ejemplo, una pelota lanzada contra una pared siempre rebota); por otro, la mecánica cuántica, cuyas leyes rigen el régimen microscópico de átomos y partículas (por ejemplo, una sola partícula lanzada contra una «pared» (es decir, una barrera de energía) a veces no rebota, sino que la atraviesa como si no existiera). Precisamente este fenómeno que mencionábamos antes, el efecto túnel cuántico, ha sido uno de los triunfos más asombrosos de la teoría cuántica. En 1928, el físico George Gamow lo utilizó para explicar la desintegración alfa, un proceso en el que un núcleo pesado emite una partícula alfa, es decir, un núcleo de helio. Según la física clásica, la partícula alfa no debería tener energía suficiente para escapar de la barrera energética de las fuerzas nucleares, pero Gamow se dio cuenta de que la partícula podía hacer un «túnel» a través de la barrera, una imposibilidad clásica que la mecánica cuántica no solo permitía, sino que predecía con exactitud. Durante años, sin embargo, el efecto túnel quedó confinado al mundo microscópico, y la cuestión de si un comportamiento tan extraño podía manifestarse a mayor escala permaneció abierta.

Una cadena de Premios Nobel

En realidad, la respuesta a esta pregunta estaba en otro extraordinario fenómeno cuántico a escala macroscópica, la mencionada superconductividad. Se trata de la propiedad de ciertos materiales, en condiciones experimentales precisas (temperaturas muy próximas al cero absoluto), de no ofrecer resistencia al paso de la corriente: en este escenario, los electrones dejan de comportarse como partículas individuales y se unen para formar los llamados pares de Cooper, teorizados por John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer. La observación experimental de estos pares fue posible gracias a un componente crucial, la unión Josephson, desarrollada por el físico Brian Josephson. Se trata de miles y miles de millones de partículas que pierden su individualidad y se «condensan» en un estado cuántico coherente, descrito por una única función de onda colectiva: todo el sistema de electrones comienza a moverse al unísono sin encontrar ninguna resistencia eléctrica. Y llegados a este punto, debe quedar claro que nos acercamos a los trabajos de Clarke, Devoret y Martinis sobre la «frontera» entre el mundo microscópico y el macroscópico. Entre los años setenta y ochenta, el físico teórico Anthony Leggett se preguntó si el estado cuántico macroscópico de los superconductores podría presentar el efecto túnel, y acuñó los términos Túnel Cuántico Macroscópico (MQT) para describir el proceso. El salto conceptual, logrado por los experimentos de los tres premiados en 2025, consistió en identificar la variable que se comportaría cuánticamente: no una entidad física, sino algo más sutil, una propiedad abstracta de todo el circuito (para los curiosos: se trata de la diferencia de fase de la función de onda macroscópica a través de la unión Josephson). Es una variable colectiva que, en el experimento, se convirtió en el análogo de la posición de una única partícula cuántica y allanó el camino para la observación de MQT. Una curiosidad que dice mucho de la magnitud de este descubrimiento: todos los científicos mencionados hasta ahora (excepto Gamow) han ganado el Premio Nobel. El trabajo de los últimos galardonados es el eslabón culminante de una cadena causal de descubrimientos anteriores, cada uno de los cuales ha aportado una pieza esencial en la reconstrucción del rompecabezas.

El futuro: computadoras cuánticas y más

El impacto de los trabajos de Clarke, Devoret y Martinis va mucho más allá de la confirmación de un principio fundamental de la física. Con sus experimentos, los tres sentaron las bases de la llamada segunda revolución cuántica, es decir, la transición de la comprensión de las leyes cuánticas a su explotación para crear tecnologías radicalmente nuevas. El vínculo más directo es con el desarrollo de la computadora cuántica: al demostrar la cuantificación de la energía en un circuito macroscópico, los físicos se dieron cuenta de que los niveles discretos de energía de este «átomo artificial» podían utilizarse para codificar información de forma cuántica, pasando del bit al qubit. Pero aún hay más. Gracias (también) al trabajo de los tres premios Nobel, se han podido construir sensores cuánticos muy avanzados, entre ellos los llamados ‘Squids’ (Dispositivos Superconductores de Interferencia Cuántica), que se han utilizado con éxito en diversos campos, desde la medicina a la geología; la idea de los «átomos macroscópicos» también ha servido para desarrollar matrices de qubits superconductores capaces de simular el comportamiento de otros sistemas cuánticos, modelar interacciones en moléculas complejas o nuevos materiales, por ejemplo, y acelerar el descubrimiento de nuevos fármacos, catalizadores y materiales innovadores. Y quién sabe qué más.

El Premio Nobel de Física de 2024

El año pasado, el Premio Nobel de Física se otorgó a John Hopfield y Geoffrey Hinton por el aprendizaje automático, o mejor dicho, por sus descubrimientos e inventos fundamentales que posibilitan el aprendizaje automático con redes neuronales artificiales. “El aprendizaje automático ha sido fundamental desde hace mucho tiempo para la investigación, incluyendo la clasificación y el análisis de grandes cantidades de datos”, declaró el comité. “John Hopfield y Geoffrey Hinton utilizaron herramientas de la física para desarrollar métodos que ayudaron a sentar las bases del potente aprendizaje automático actual. El aprendizaje automático basado en redes neuronales artificiales está revolucionando la ciencia, la ingeniería y la vida cotidiana”.

Semana del Premio Nobel

Tras la entrega ayer del Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2025, anunciada por la Asamblea Nobel, compuesta por miembros del Instituto Karolinska de Solna (Suecia), y la entrega hoy del Premio Nobel de Física, continúa la semana de entrega de estos prestigiosos premios. Mañana será el turno de Química, seguido del Premio Nobel de Literatura el jueves 9 de octubre y el Premio Nobel de la Paz el viernes 10 de octubre. El Premio Nobel de Economía clausurará la Semana Nobel el lunes 13 de octubre.

Artículo publicado originalmente en WIRED Italia. Adaptado por Mauricio Serfatty Godoy.