Nobel de Física fue para quienes lograron detectar en un circuito eléctrico “macroscópico” dos bizarradas de la física cuántica

El 2025 fue elegido por la Asamblea General de la Organización de Naciones Unidas, a instancias de un grupo grande de personas relacionadas con la investigación, la educación y la historia, como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas. ¿La razón? Porque celebran los “100 años de la mecánica cuántica”, a la que también se denomina “física cuántica” o, para los íntimos, “la cuántica” (lo del centenario es tan polémico como muchos de nuestros festejos patrios, porque ya hace unos cuantos años, Max Planck había hablado de la radiación emitida por la materia bajo paquetes o “cuantos” de luz). Así las cosas, que el Premio Nobel de Física de la Real Academia de Ciencias de Suecia vaya para tres físicos que trabajaron en temas cuánticos no podía haber caído en un año mejor.

Según comunicó el comité, el galardón fue para John Clarke, Michel Devoret y John Martinis “por el descubrimiento de la tunelización macroscópica de la mecánica cuántica y la cuantización de la energía en un circuito eléctrico”. Tanto lo de la cuantificación de la energía —es decir, que es liberada o absorbida en paquetes discretos o cuantos— como lo de la tunelización —la capacidad de las partículas de atravesar barreras que las contienen casi tan bizarramente como si uno fuera capaz de atravesar las paredes— ya había sido predicho y demostrado experimentalmente, pero a nivel “microscópico”. La teoría que sostenía que esto podía darse también a escala “macroscópica”, en concreto en superconductores, ya estaba desde la década de 1970 (y de hecho le valió un Nobel de Física, el del año 2003, a Anthony Leggett). Pues bien, en la década de 1980, los tres hoy laureados diseñaron experimentos que permitieron corroborar que la tunelización se daba a esa escala, así como también vieron que en esa escala se podría registrar (y controlar) la cuantificación de la energía. Pero ahora aclaremos las comillas que rodean a las palabras “microscópica” y “macroscópica”.

En la cuántica, el nivel o escala microscópico refiere a algo que se da involucrando unas pocas partículas. Por ejemplo, la tunelización cuántica se demostró que estaba detrás del proceso de decaimiento radiactivo: partes del núcleo de los átomos radioactivos logran escapar de las fuerzas que los encarcelan a estar allí, con el resultado de que hay liberación de energía (atómica o nuclear) y, por otro, un átomo que con esos cambios se va transformando en otro elemento. Unas pocas partículas escapan al núcleo, dada la tunelización, y después viene todo lo que ya conocemos.

Sin embargo, para quienes investigan en estos campos, cuando algo sucede a escala “macroscópica”, quieren decir que es algo que implica a varias o muchas partículas, pero ni de cerca se refieren a lo que todos los que no somos físicos de partículas entendemos como “macroscópico”, que implica que es algo que podemos ver sin necesidad de un microscopio. Sin hacer esta aclaración, la felicidad de un físico cuántico por detectar una “tunelización macroscópica” no puede ser compartida por el resto de los mortales, que estarán esperando más bien que una persona atraviese una pared y siga campante del otro lado (o que eso suceda con cosas mucho más chicas que una persona, aun así visibles a simple vista).

Es por esta razón que lo de Clarke, Devoret y Martinis podría celebrarse como un gol cuántico: es como que hayan registrado que el balón pateado por nuestro delantero favorito atravesó las manos del golero del equipo rival y abrió un tanteador. Algo así lograron en un circuito eléctrico diseñado con un superconductor: varias partículas, en este caso electrones, se comportaron como una única partícula (por cuestiones que tienen que ver con el superconductor) y lograron atravesar una barrera que no conducía electricidad (el equivalente de las fuerzas del núcleo atómico, de la pared que no deja pasar a las personas o de las manos del golero que no deja marcar el gol del tiro del delantero). ¡Gol cuántico entonces, o tunelización macroscópica... que sucede a escala microscópica (en el sentido de todos los no físicos) en un circuito que cabe en la palma de una mano!

Tres terribles tigres

Parados en hombros de gigantes, es decir, en el trabajo que la cuántica venía haciendo desde principios del siglo XX, del avance en la construcción de superconductores, materiales que no ofrecen resistencia a los electrones, y de la idea de que en estos materiales podría detectarse una tunelización cuántica macroscópica, los tres galardonados se pusieron manos a la obra a principios de la década de 1980.

John Clarke, nacido en el Reino Unido, se encontraba realizando investigaciones en la Universidad de California, en concreto en la de Berkeley (todo esto en Estados Unidos, porque, como ya hemos visto en otras ocasiones, la nube de probabilidades de conseguir un Nobel casi siempre colapsa más en alguien que investiga en un centro de Estados Unidos o de Europa que en cualquier otra parte del globo). Clarke había comenzado a realizar experimentos con los superconductores y con estas barreras que no conducían electricidad que se colocaban entre ellos (llamadas uniones de Josephson). Allí se le sumó el francés Michel Devoret como posdoc. El greco-estadounidense John Martinis tuvo la fortuna (o tal vez Clarke y Devoret la tuvieron) de sumarse al equipo de investigación como estudiante doctorado. Claro que entonces ninguno lo sospechaba: aquellas investigaciones, cuyos experimentos más importantes tuvieron lugar entre 1984 y 1985, les valdrían un Nobel compartido unos 40 años después.

Es que tras poner a punto su sistema de dos superconductores separados por una unión no conductora (la de Josephson), lograron, tras observar el asunto una cantidad importante de veces, detectar un voltaje. Los electrones (muchos de ellos, por eso es “macroscópico”) estaban saltando la barrera. En el laboratorio entonces lograron esa tunelización cuántica.

Por otro lado, también registraron que, independientemente de la energía aplicada, la energía que el sistema absorbía o emitía estaba cuantizada, es decir, eso se daba en paquetes de cantidades específicas.

Empujando el futuro

El trabajo de Clarke, Devoret y Martinis abrió varias puertas para hacer más ciencia y también para desarrollos tecnológicos. En el comunicado de la academia sueca se señala que lo que lograron “ofrece un nuevo potencial para experimentos que utilizan los fenómenos que rigen el mundo microscópico de las partículas” y que es como un “átomo con cables y conectores” que podría “conectarse a nuevas configuraciones de prueba o utilizarse en nuevas tecnologías cuánticas”.

De hecho, el propio Martinis utilizó esta energía cuantizada obtenida en el superconductor para avanzar en la computación cuántica dando lugar a los bit cuánticos, o qbits, al hacer que estos circuitos “con estados cuantizados” fueran “unidades portadoras de información”. De hecho, los circuitos con superconductores son una de las cosas que se están explorando en los intentos de construir una futura computadora cuántica.

¿Escala humana?

Dado esto que vieron a escala “macroscópica”, la Real Academia de Ciencias de Suecia emitió un comunicado para explicar este premio de Física 2025 con el título “Propiedades cuánticas a escala humana”, algo que puede sonar extraño por varios motivos.

Para empezar, en los seres humanos se dan fenómenos cuánticos, newtonianos o de física clásica y de la relatividad general todos al mismo tiempo. La forma en que podamos explicar lo que vemos, o el modelo con el cual predecimos lo que sucede, o que mejor se ajusta al fenómeno a estudiar, no quiere decir que acá, por observar algo que en lugar de pasar en el núcleo de un átomo radiactivo pase en un superconductor, haya algo más o menos humano. De hecho, cada uno de nosotros y nosotras estamos hechos de átomos. La cuántica es eso que pasa cuando estamos ocupados haciendo otras cosas.

Tampoco el fin que perseguían Clarke, Devoret y Martinis era más humano que el de tantas otras búsquedas de otros físicos y mecánicos cuánticos. Al fin de cuentas, todos tenían la misma sed de curiosidad, algo que comparten con el resto de la comunidad científica. Que sus trabajos merece aplausos, claro que sí. Pero para hablar de cuántica a escala humana... habría que dar un salto tan fantástico como el que los electrones dieron a través de la unión de Josephson. Y hablando de eso...

Una tunelización que no se logra

Una vez más los Nobel entregados a la ciencia siguen con sus sesgos. Si sumamos el nobel de Medicina y Fisiología, dado a Mary Brunkow, Fred Ramsdell y Shimon Sakaguchi por sus trabajos sobre las células T reguladoras y su relación con las enfermedades autoinmunes, y los tres de Física, tenemos un total de cinco hombres premiados y una única mujer. De los seis galardonados, cinco se encontraban afiliados al momento de recibir el galardón en universidades de Estados Unidos y uno en una de Japón (Shimon Sakaguchi, japonés, investiga hoy en la Universidad de Osaka).

Este miércoles se entregará el Nobel de Química. Llegar a una premiación paritaria parece casi imposible. La edición pasada tuvo una relación de género de cinco investigadores y dos investigadoras en las tres categorías de premios a las “ciencias duras” (si sumamos el de Economía tampoco son números alentadores en lo que a género se refiere). ¿Podremos lograr una tunelización cuántica genérica que permita atravesar esta barrera tan injustamente infranqueable para quienes hacen ciencia? Mmmmm.