Nobel de Física 2025: el despegue de los bits cuánticos

¿Es posible que un dispositivo del tamaño de la mano manifieste propiedades cuánticas? Lo que antes se consideraba imposible, hoy constituye una realidad científica. El Premio Nobel de Física del año 2025 ha distinguido a John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis por confirmar experimentalmente que circuitos eléctricos fabricados con superconductores –materiales que transmiten corriente sin disipación energética cuando se someten a temperaturas críticamente bajas– pueden manifestar dos fenómenos cuánticos esenciales: el efecto túnel a escala macroscópica y la cuantización de niveles energéticos.

Una Analogía Doméstica para Comprender Conceptos Complejos

Para dimensionar su contribución, podemos emplear una comparación cotidiana. Visualicemos una caja de huevos con un huevo posado en una de sus cavidades. Al inclinar suavemente el recipiente, el huevo permanece en su ubicación original, manteniendo una posición estable. De manera similar, si desplazamos ligeramente un péndulo, este oscilará alrededor de su punto de equilibrio antes de estabilizarse. En ambos escenarios, los objetos se hallan en su estado de energía mínima, comportándose según los principios de la física clásica.

El Sorprendente Mundo del Efecto Túnel

Ahora imaginemos algo extraordinario: que el huevo, con una ligera inclinación del cartón, apareciera espontáneamente en el compartimento adyacente, como si hubiera traspasado la barrera física que los separa. Este suceso, inconcebible en nuestra realidad macroscópica, representa el efecto túnel en el ámbito cuántico.

El efecto túnel rige procesos fundamentales del cosmos. Permite la desintegración radiactiva de núcleos atómicos pesados y posibilita la fusión nuclear que genera la energía estelar.

Antecedentes Históricos en la Investigación de Superconductividad

La influencia del efecto túnel y la superconductividad ha sido notable en la trayectoria de los Premios Nobel. La teoría BCS de superconductividad –denominada así por las iniciales de John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer, galardonados en 1972– representó un avance conceptual significativo.

Esta teoría establece que la superconductividad surge de la formación de pares de Cooper, dúos de electrones que, a temperaturas ultrabajas, se acoplan en lugar de repelerse.

Estos pares funcionan como una única entidad cuántica, con una función de onda macroscópica de fase coherente bien definida. Constituyen un ejemplo notable de fenómeno emergente en física de la materia condensada: de la interacción de billones de electrones emerge un estado colectivo con propiedades inexistentes a nivel individual.

La Predicción de Josephson y sus Implicaciones

Basándose en estos conceptos innovadores y en experimentos sobre efecto túnel, Brian Josephson formuló en 1962 una predicción revolucionaria. Postuló que una corriente eléctrica compuesta por pares de Cooper podría atravesar mediante efecto túnel una barrera aislante entre dos superconductores (configuración actualmente denominada "unión Josephson"). Esta "supercorriente" podría circular indefinidamente sin resistencia y sin aplicación de voltaje, desafiando los principios clásicos de la electricidad. Este descubrimiento sería reconocido con el Nobel de Física en 1973.

Posteriormente, Anthony Leggett (Nobel 2003) desarrolló los fundamentos teóricos para comprender la coherencia cuántica a escala macroscópica.

El Experimento Crucial de los Galardonados

Hacia 1985, John Clarke propuso a Michel Devoret y John Martinis un experimento fundamental que integraba conceptos de superconductividad y mecánica cuántica. El objetivo consistía en demostrar experimentalmente que la fase cuántica colectiva de los pares de Cooper en una unión Josephson –una variable electromagnética macroscópica– presentaba efectos cuánticos observables.

Su configuración experimental permitió detectar el efecto túnel macroscópico de la fase superconductora entre dos estados de energía potencial, equivalente al salto cuántico de un sistema colectivo formado por millones de pares de Cooper.

Analogía Revisitada: Del Huevo al Circuito Cuántico

Retomando nuestra comparación inicial: el estado de supercorriente sin voltaje equivale al huevo en reposo en su cavidad. Sin embargo, cuánticamente existe probabilidad de que el huevo "transite" entre cavidades. Esta representación resulta físicamente significativa porque el potencial energético que describe el efecto Josephson puede visualizarse precisamente como el cartón de huevos, donde la fase cuántica del estado superconductor representa la posición efectiva en dicho cartón.

Al igual que nuestro huevo cuántico puede cambiar de cavidad mediante efecto túnel, la fase del estado superconductor puede ejecutar saltos cuánticos entre diferentes estados. Este fenómeno, traducido al circuito eléctrico, se manifiesta como un voltaje medible donde anteriormente era nulo.

Del Átomo Artificial a los Cúbits Superconductores

La medición directa del efecto túnel coherente de una variable macroscópica constituyó un avance fundamental, demostrando inequívocamente que las leyes cuánticas gobiernan no solo partículas subatómicas, sino también estados colectivos en sistemas superconductores macroscópicos.

Pero los investigadores profundizaron aún más. Así como los átomos absorben y emiten luz en frecuencias específicas que revelan sus niveles energéticos cuantizados, sus experimentos demostraron que su circuito superconductor solo respondía a frecuencias de microondas muy concretas, con transiciones precisas cuya vida media dependía del nivel energético.

Esto evidenció espectacularmente que el dispositivo no solo presentaba efecto túnel, sino que se comportaba como un "átomo artificial". Nuevamente, podemos emplear nuestra imagen del cartón de huevos como conjunto de pozos de potencial: un sistema cuántico diseñado con estados energéticos discretos y cuantizados.

El Legado Tecnológico: Computación Cuántica

El legado de este experimento resultó ser considerablemente más trascendental. Ese "átomo artificial" creado se convirtió en el componente fundamental para demostrar un cúbit –unidad básica de información en computación cuántica– superconductor. La conexión no es meramente conceptual: el dispositivo superconductor phase qubit, uno de los primeros diseños, utilizaba precisamente el efecto túnel macroscópico para leer el estado cuántico, de idéntica manera que lo hicieron los galardonados en 1985.

La carrera práctica inició en 1999, cuando se observaron por primera vez oscilaciones cuánticas coherentes en una pequeña isla superconductora. Aunque estas oscilaciones iniciales solo persistían durante 3 nanosegundos, este frágil primer paso inspiró diseños más robustos. Poco después, a principios del siglo XXI, se demostraron oscilaciones coherentes en phase qubits.

Evolución y Perspectivas Futuras

Desde aquellas demostraciones pioneras hasta los cúbits contemporáneos, la tecnología de circuitos superconductores –base de los procesadores cuánticos con centenares de cúbits desarrollados por diversas compañías tecnológicas– ha experimentado progresos espectaculares en apenas 25 años. Actualmente se han observado cúbits que mantienen su coherencia cuántica hasta varios milisegundos, ¡un millón de veces más que aquellos iniciales 3 nanosegundos!

Los mismos fenómenos que han merecido el premio Nobel de este año ahora se replican y controlan a escala para ejecutar algoritmos que prometen transformar la criptografía, el desarrollo farmacéutico y la ciencia de materiales.

Desafíos Pendientes en Computación Cuántica

No obstante, para materializar estas promesas, debemos resolver un desafío tecnológico de envergadura: escalar masivamente el número de cúbits –de centenares a millones– y combatir la decoherencia –proceso cuántico mediante el cual un sistema pierde sus propiedades cuánticas al interactuar con su entorno–.

Precisamente, esta búsqueda colectiva de soluciones subraya el valor de la investigación fundamental: el trabajo de Clarke, Devoret y Martinis demuestra que la ciencia impulsada por la curiosidad frecuentemente establece la dirección de futuras revoluciones tecnológicas.