Los transistores de los microchips de los ordenadores son un ejemplo de la tecnología cuántica consolidada que nos rodea. Ahora, el Premio Nobel de Física de este año, reconoce los hallazgos de John Clarke (Reino Unido), Michel H. Devoret (Francia) y John M. Martinis (Estados Unidos) que abren oportunidades para desarrollar “la próxima generación de tecnología cuántica”, incluida la criptografía cuántica (técnicas de ciberseguridad basadas en principios de la mecánica cuántica), los ordenadores cuánticos y los sensores cuánticos ultrasensibles para realizar diagnósticos médicos y otras múltiples aplicaciones.

La Real Academia Sueca de las Ciencias galardonó a Clarke, Devoret y Martinis “por el descubrimiento del efecto túnel cuántico macroscópico y la cuantización de la energía en un circuito eléctrico” y en su comunicado de prensa señala que “sus experimentos con un chip revelaron la física cuántica en acción”.

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Una cuestión importante en física es el tamaño máximo de un sistema que puede demostrar efectos cuánticos, es decir, la cantidad mínima de una magnitud, como la energía, que se manifiesta a escalas muy pequeñas como la materia a nivel atómico.

“Los descubrimientos de Clarke, Devoret y Martinis no solo demuestran la validez de la teoría cuántica a nivel atómico, sino que además motivaron toda una serie de otros experimentos con dispositivos electrónicos superconductores, que actualmente son la base para construir procesadores para computación cuántica. Al poder reproducir en un circuito electrónico leyes o procesos básicos de la física cuántica, uno también puede fabricar un átomo artificial, un átomo de diseño que es el componente básico para armar después computadoras cuánticas que procesan los distintos estados de la computación cuántica”, puntualiza Daniel Domínguez, investigador del CONICET en el Grupo de Teoría de la Materia Condensada del Centro Atómico Bariloche (CAB), Profesor del Instituto Balseiro, y gerente de Física de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA).

Domínguez, cuyo grupo de investigación trabaja, junto con María José Sánchez y Leandro Tosi, también investigadores del CONICET y docentes del Instituto Balseiro, en el desarrollo de procesadores cuánticos con circuitos superconductores, agrega: “De hecho, la mayoría de los desarrollos que hay de procesadores y computadoras cuánticas de tipo comercial que hacen Google, IBM, Microsoft y otras empresas, por ejemplo, están basados en circuitos cuánticos electrónicos superconductores que están hechos a partir de lo que desarrollaron Clarke, Devoret y Martinis”.

Para Gonzalo Álvarez, investigador del CONICET en el Instituto en Nanociencia y Nanotecnología del Centro Atómico Bariloche (INN, CONICET-CNEA) y Profesor del Instituto Balseiro, “los hallazgos premiados con el Nobel de Física 2025 son fundamentales porque demuestran que los efectos cuánticos pueden controlarse en sistemas macroscópicos, accesibles a nuestra escala. Gracias a esto, fue posible diseñar circuitos eléctricos que se comportan cuánticamente y que hoy son la base de una de las tecnologías más prometedoras para construir computadoras cuánticas”. Y continúa: “El control de efectos cuánticos en circuitos macroscópicos no solo abrió el camino a la computación cuántica, sino también a nuevos tipos de detectores y sensores cuánticos. Esta capacidad de medir campos magnéticos con una sensibilidad extraordinaria podría transformar técnicas de imagen como la resonancia magnética, permitiendo observar procesos biológicos en escalas cada vez más pequeñas”.

En esa línea, Álvarez destaca que así como la resonancia magnética fue revolucionaria porque permitió manipular y detectar estados cuánticos de los núcleos atómicos en sistemas macroscópicos convirtiéndose en una herramienta de enorme valor práctico para la medicina y la ciencia, “los circuitos cuánticos premiados este año representan un avance análogo. Hacen posible controlar efectos cuánticos en dispositivos eléctricos a escala humana, lo que sienta las bases de las futuras computadoras y sensores cuánticos”.

Experimentos en California

John Clarke era profesor en la Universidad de California (UC), Berkeley, en Estados Unidos, donde se había trasladado tras completar su doctorado en la Universidad de Cambridge, Reino Unido, en 1968. En la UC Berkeley creó su grupo de investigación y a mediados de la década de 1980, Devoret se unió a su grupo de investigación como investigador postdoctoral, tras obtener su doctorado en París. Este grupo también incluía al estudiante de doctorado Martinis.

En 1984 y 1985, Clarke, Devoret y Martinis llevaron a cabo una serie de experimentos en la UC Berkeley. Construyeron un circuito eléctrico con dos superconductores, componentes que pueden conducir la corriente sin resistencia eléctrica.

Los separaron con una fina capa de material que no conducía la corriente en absoluto. En este experimento, demostraron que podían controlar e investigar un fenómeno en el que todas las partículas cargadas del superconductor se comportaban al unísono, como si fueran una sola partícula que llenaba todo el circuito.

En esos experimentos con un circuito eléctrico demostraron tanto el efecto túnel cuántico como los niveles de energía cuantizados en un sistema lo suficientemente grande como para caber en la mano. Para entender esto, el efecto túnel se refiere a un proceso de la mecánica cuántica mediante la cual una partícula es capaz de atravesar una barrera. Asimismo, los investigadores premiados demostraron que las propiedades cuánticas pueden hacerse tangibles a escala macroscópica, es decir, pudieron demostrar que el sistema está cuantificado, lo que significa que solo absorbe o emite energía en cantidades específicas.

Domínguez explica que hay un efecto de la física cuántica que es el tunelaje cuántico, “que si uno lo tuviera que llevar al mundo de la vida real con alguna prueba, sería equivalente a que un objeto pueda atravesar una pared y que aparezca del otro lado. Esto obviamente en el mundo cotidiano no sucede, pero en el mundo microscópico de la escala atómica se ha visto que puede ocurrir y es una de las predicciones de la física cuántica, una de las predicciones más sorprendentes, y a la escala de lo que es un electrón o un átomo. Esto se había observado ya desde este hacía bastante tiempo”.

De acuerdo con Domínguez, “Clarke, Devoret y Martinis lograron con precisión y de una manera indudable realizar un experimento en un circuito electrónico lo que se llama un efecto de tunelaje cuántico macroscópico, es decir, a gran escala”. Y agrega: “También lograron producir y describir otro fenómeno cuántico, que es un experimento aún más difícil y que tiene que ver con los estados de energía, es decir que la energía de las corrientes que se producen en ese circuito electrónico puede estar cuantizada, en el sentido de que puede ser en determinados valores de energía”.

En esta línea de investigación, Martinis realizó experimentos con ordenadores cuánticos en el que utilizó exactamente la cuantización de energía que él, Clarke, Devoret habían demostrado. Utilizó un circuito con estados cuantizados como unidades portadoras de información: un bit cuántico. El estado de energía más bajo y el primer paso hacia arriba funcionaban como cero y uno, respectivamente. Los circuitos superconductores son una de las técnicas que se están explorando en los intentos de construir un futuro ordenador cuántico.

Los galardonados de este año han contribuido así tanto a obtener beneficios prácticos en los laboratorios de física como a proporcionar nueva información para la comprensión teórica del mundo físico y preparar el camino para múltiples aplicaciones tecnológicas.

“A nivel general, este premio es muy importante porque muestra la posibilidad de controlar, mantener y procesar estados cuánticos, que constituyen el corazón de las nuevas tecnologías cuánticas. De ello depende el desarrollo de computadoras cuánticas, sensores ultraprecisos y sistemas de comunicación cuántica”, afirma Álvarez. Y concluye: “Hoy, equipos en todo el mundo —incluidos varios en Argentina— están explorando distintas plataformas físicas para lograr ese control. Cada una busca aprovechar la física cuántica de manera diferente, pero todas comparten el mismo objetivo: transformar fenómenos cuánticos en herramientas prácticas para la ciencia, la tecnología y la sociedad”.

Fuente: conicet.gov.ar