Premio Nobel de Física 2025: Tomando bits cuánticos

¿Puede un objeto que cabe en tu mano mostrar manualmente un comportamiento cuántico? Aunque hace unas décadas parecía imposible, hoy sabemos que lo es. Premio Nobel 2025. en Física, John Clarkea, reconocido en Física, Michela H. Devoreta y John M. Martinisa por demostrar de manera inequívoca que el circuito eléctrico basado en electricidad sin resistencia eléctrica ni pérdida de la temperatura crítica – puede mostrar dos cuánticos básicos y cuantificación y cuantificación de energía y cuantificación de energía.

Premio Nobel 2025. Estudió Física con John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis. Divulgación Niklas Elmehed / Premios Nobel. Huevos cuánticos y péndulo en chip.

Para comprender la magnitud de sus logros, es útil recurrir a una analogía “doméstica”. Imaginemos los huevos de cartón con un huevo en uno de los agujeros. Si empujamos ligeramente la tarjeta, con mucho cuidado, el huevo queda en su agujero, en una posición bien definida. Algo similar se puede hacer con un ligero empujón del péndulo: éste oscilará ligeramente alrededor de la posición estable antes de que la gravedad le haga volver a su punto de control de equilibrio. En ambos ejemplos, los huevos y los péndulos se encuentran en su condición de energía más baja, estables y predecibles, tal como dicta la física clásica.

Ahora bien, imaginemos que es imposible: que el huevo, una cartulina ligeramente inclinada, apareciera mágicamente en el volumen vecino, como atravesando una pequeña protuberancia de dicha cartulina, “barrera potencial” que los separa. Este fenómeno, inimaginable en nuestra experiencia diaria, es el efecto de túnel en la física cuántica.

El efecto túnel regula algunos de los procesos básicos del universo. Es responsable de la desintegración radiactiva de un núcleo atómico pesado y realiza una fusión nuclear que puede seguir siendo estrellas.

Pero su influencia es mucho: el efecto túnel y el superpeso, fenómeno que permite a los materiales transmitir electricidad sin resistencia, estuvieron muy presentes en la historia de los premios Nobel.

Sobre el hombro de gigantes

El camino hacia este Premio Nobel 2025. Años se construyó sobre otros premios anteriores. Teoría superconductora BCS: lleva el nombre de John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer, que en 1972 recibieron el Premio Nobel. – Ella era revolucionaria.

Esta teoría explica que la clave para entender la superconductividad es la formación de pares de Cooper, pares de electrones, que, a temperaturas extremadamente bajas, se juntan en lugar de negarse.

Estos pares actúan como una única entidad cuántica, con una función de onda macroscópica que define bien las fases coherentes. Y dan un bonito ejemplo de fenómenos de emergencia en el condicionamiento físico de la sustancia: a partir de la interacción de billones de electrones, aparece el estado colectivo con propiedades que no existen a nivel individual.

Inspirada por estas ideas revolucionarias de BCS y los experimentos de Irar Giave sobre la construcción de túneles, la corriente física, compuesta por estos lemas de Cooper, puede atravesar una barrera aislante que separa a los dos superseguros). Este “supersurrent” podría funcionar para siempre, sin resistencia y sin necesidad de aplicar voltaje, desafiando una comprensión clásica de la electricidad. Ambos compartirían el Premio Nobel de Física en 1973 años.

Finalmente, Anthony Leggett (Nobel en 2003) ha desarrollado bases teóricas para comprender la coherencia cuántica a escala macroscópica.

Primeros pasos del Nobel

Alrededor de 1985, John Clarke, profesor de la Universidad de California en Berkeley, propuso a Michel Devoret y John Martini un experimento crucial que fusionó los conceptos básicos de los conceptos esenciales de superforwards y mecánica cuántica. El objetivo era demostrar experimentalmente que la fase cuántica colectiva de los pares de Cooper en Josephson Junction – variable electromagnética macroscópica – exponía los notables efectos cuánticos.

Su ajuste experimental ha permitido el efecto túnel macroscópico, la fase superconductora entre dos estados de energía potencial, equivalente al salto cuántico de un sistema colectivo formado por millones de parejas de cobre.

Volviendo a nuestra analogía con el huevo: un estado superesturricular sin voltaje es como un huevo de vacaciones en su agujero. Pero, desde el punto de vista cuántico, existe la probabilidad de que el huevo “cambie” de agujero. Esta imagen es físicamente muy poderosa porque el potencial energético descrito por el efecto Josephson se puede visualizar exactamente como huevos de cartón, donde la fase cuántica del estado de súper imposición es una posición efectiva en esa caja.

Como nuestro huevo cuántico puede cambiar los espacios mediante el efecto de sintonización, la fase de estado de superposición puede realizar saltos cuánticos entre diferentes estados. Este fenómeno, traducido a un circuito eléctrico, se manifiesta como un voltaje medible donde cero era cero antes del voltaje.

En busca del “átomo artificial”

Esta medición directa de un efecto coherente de la variable macroscópica de túnel fue el progreso básico, ya que ha demostrado que las leyes cuánticas regulan no sólo las partículas subatómicas, sino también los estados colectivos en los sistemas superconductores macroscópicos.

Pero Clarke, Deveret y Martini fueron más allá. A medida que los átomos absorben y emiten la luz de colores muy específicos, sus experimentos han demostrado que su círculo superconductor respondía sólo a frecuencias de microondas muy específicas, con cruces precisos, cuya vida media dependía de los niveles de energía.

Esto demostró espectacularmente que el chip no sólo estaba expuesto al túnel, sino que actuaba como un “átomo artificial”. De nuevo, podemos utilizar una imagen de cartón de huevos, esta vez como un conjunto de pozos potenciales: un sistema cuántico adaptado con condiciones de energía discretas y cuantificadas.

Del laboratorio a la revolución cuántica

Sin embargo, el legado de este experimento ha demostrado ser mucho más poderoso. Este “átomo artificial” creado en Berkeley se convirtió en el primer ladrillo en demostrar un codo superconductor, una unidad básica de información en la computación cuántica. La conexión no es sólo conceptual: un dispositivo superconductor de fase cúbito, uno de los primeros diseños, acaba de aprovechar el efecto macroscópico del túnel de estado cuántico, del mismo modo que ganó hace 1985 años.

La carrera práctica comenzó en 1999, cuando I. Nakamura, Iu. A. Pashkin y JS Tsai notaron por primera vez oscilaciones cuánticas coherentes en una pequeña isla de superservicios, un electrodo microscópico en el que estaban cerradas las parejas, en el NEC de Japón. Aunque estas primeras oscilaciones duraron sólo 3 nanosegundos, este frágil primer paso inspiró todos los diseños de la firma. Poco después, a principios de la década de 2000, se demostraron oscilaciones coherentes en codos de fase.

Computando con codos, realidad

De estas primeras demostraciones a codos modernos, una tecnología de circuitos superconductores -que es la base de los procesadores cuánticos de cientos de codos que desarrollaron empresas como Google e IBM- dio avances espectaculares en sólo 25 años. Los CuBits observados actualmente observaron que su coherencia cuántica se mantuvo hasta varios millones de veces, ¡un millón de veces más que esos primeros 3 nanosegundos!

Los mismos fenómenos generados por el Premio Nobel de este año ahora se replican y controlan a escala para lanzar algoritmos que prometen revolucionar la criptografía, el descubrimiento de fármacos y la ciencia de materiales.

Sin embargo, para lograr estas promesas, todavía tenemos que resolver un desafío tecnológico aterrador: el escalamiento masivo del número (de cientos a millones) y combatir la decoherencia (el proceso cuántico en el que el sistema pierde características cuánticas (al interactuar con su entorno).

Precisamente, esta búsqueda colectiva de soluciones subraya el valor de la investigación básica: los trabajos de Clarke, Devoret y Martinis muestran que la ciencia fue guiada por la curiosidad, lo que a menudo completa la dirección de futuras revoluciones tecnológicas.