- Clarke, Devoret y Martinis son premiados por demostrar túnel cuántico macroscópico y energía cuantizada en un circuito.
- Los experimentos de 1984-85 usaron uniones Josephson en circuitos superconductores manejables con la mano.
- El hallazgo cimenta cúbits superconductores, sensores SQUID y nuevas tecnologías cuánticas.
- Expertos como Ignacio Cirac y Alba Cervera subrayan su impacto en la computación cuántica.
La Real Academia Sueca de Ciencias ha distinguido a John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis por un hito experimental que une mecánica cuántica y mundo macroscópico: la observación del efecto túnel a gran escala y la cuantización de la energía en un circuito eléctrico. Con este reconocimiento se pone negro sobre blanco que la frontera entre lo cuántico y lo clásico se puede explorar de manera controlada en dispositivos reales.
Los trabajos galardonados, realizados a mediados de los años 80, demostraron en un chip superconductor del tamaño de la palma de la mano que un sistema colectivo puede comportarse como una “partícula única”: atraviesa barreras energéticas por tunelización y exhibe niveles de energía discretos. No es poca cosa, porque ese resultado abrió la puerta a los cúbits superconductores y a sensores cuánticos de altísima sensibilidad.
Motivo del galardón y alcance científico
El túnel cuántico permite a una partícula aparecer al otro lado de una barrera sin la energía clásica necesaria; lo sorprendente aquí es que ese comportamiento se materializa en un conjunto macroscópico. En el circuito premiado, la variable que “salta” no es un electrón aislado, sino una magnitud colectiva que describe el estado del superconductor.
Cuando el sistema está en su régimen sin voltaje, queda confinado en un valle de energía; de pronto, mediante efecto túnel, escapa y aparece un voltaje medible. Además, la energía solo puede tomar valores cuantizados, confirmando que el circuito se comporta como un “átomo artificial” con niveles discretos.
El premio refrenda una pregunta clásica de la física: ¿hasta qué punto se extiende la mecánica cuántica? Para el comité, la cuántica, pese a su siglo de vida, sigue dando sorpresas útiles y es la base de gran parte de la tecnología moderna.
Los laureados están vinculados a universidades de Estados Unidos, y han subrayado la relevancia práctica de su hallazgo. Clarke, por ejemplo, destacó que su trabajo se convirtió en un pilar de la computación cuántica, algo que entonces no imaginaban con esa proyección.
Así se hizo: el experimento en un chip
El dispositivo central es una unión Josephson: dos superconductores separados por una finísima capa aislante. En su configuración, un chip de alrededor de un centímetro permitió construir un circuito en el que la corriente circula sin resistencia y la variable relevante es la fase de la función de onda macroscópica.
Ese grado de libertad efectivo se mueve en un potencial tipo “washboard” inclinado, donde quedan pozos metaestables. Con una corriente de polarización adecuada, la “partícula colectiva” se atrapa; a temperaturas ultrabajas, puede fugarse por tunelización a un valle vecino, pese a carecer de energía clásica suficiente.
La señal inequívoca de la transición es la aparición de un voltaje. Ese salto del estado de cero voltios a un estado con diferencia de potencial se mide con gran precisión, y confirma la naturaleza cuántica del proceso en un sistema de miles de millones de pares de Cooper.
Para desentrañar la estructura de niveles, los investigadores realizaron espectroscopía de microondas: excitando la unión a frecuencias concretas observaron transiciones entre estados discretos, tal y como predice la mecánica cuántica (incluida la aproximación WKB).
El éxito requirió un diseño exquisito: filtrado de ruido de microondas superior a 200 dB, control térmico milimétrico para evitar contaminación de calor de los criostatos y acoplos de microondas débilmente controlados. Esa suma de detalles permitió medir y ajustar parámetros del modelo sin ambigüedades.
Antecedentes: una cadena de hallazgos
La idea de tunelización nació para explicar procesos como la desintegración alfa (Gamow, 1928). En superconductividad, la teoría BCS describe cómo los electrones forman pares de Cooper y fluyen sin resistencia; y Brian Josephson predijo el paso de pares a través de una barrera, cimentando las uniones que hoy son esenciales.
Hubo hitos previos sobre túnel electrónico en semiconductores y superconductores, o el desarrollo del STM, pero el logro ahora premiado aporta un matiz crucial: no se observa el salto de una partícula individual, sino el de una variable macroscópica coherente de todo el circuito.
La cuestión de si un sistema grande podía comportarse cuánticamente fue impulsada por Anthony Leggett, que acuñó el término Macroscopic Quantum Tunneling (MQT). Muchos grupos lo intentaron; el grupo de Berkeley lo logró gracias a una implementación experimental especialmente fina.
Las primeras evidencias contundentes llegaron en PRL (1984-1985) y una síntesis canónica en Science (1988). Aquellos artículos dejaron claro que los circuitos superconductores permiten estudiar, con lupa y régimen de laboratorio, fenómenos cuánticos macroscópicos.
Qué cambia: aplicaciones y perspectivas
El trabajo asentó la llamada segunda revolución cuántica: pasar de comprender leyes a explotarlas tecnológicamente. De aquí nacen los cúbits superconductores (como el transmón) que emplean laboratorios y empresas, y que han protagonizado demostraciones de ventaja cuántica.
La misma plataforma ha impulsado sensores y metrología: los SQUID miden campos magnéticos con una sensibilidad extraordinaria, y otros dispositivos superconductores han ampliado el alcance en imaging, geofísica y astrofísica.
El ecosistema cuántico se extiende hacia criptografía, sensores de nueva generación y simulación de materiales. La idea de “átomos artificiales” controlables permite diseñar interacciones a la carta y explorar física que sería inaccesible con sistemas naturales.
Las reacciones de la comunidad han sido elocuentes: especialistas como Ignacio Cirac o Alba Cervera destacan que estos experimentos sostienen tanto la teoría como el hardware cuántico actual, y subrayan su papel en el auge de la computación cuántica superconductora.
Queda por delante el reto de la corrección de errores y la escalabilidad, pero el fundamento está bien anclado: hubo túnel cuántico y energía cuantizada en un sistema macroscópico real, una demostración que ha cambiado la hoja de ruta de la tecnología cuántica.
Un premio que conecta pasado y futuro: desde los primeros indicios teóricos de la tunelización hasta su comprobación en un chip superconductor, el reconocimiento a Clarke, Devoret y Martinis retrata cómo una idea sutil se convierte, con ingeniería y paciencia, en base tangible de nuevas formas de medir, procesar información y entender la física.
