Premio Nobel de Física 2025 a John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis por sus descubrimientos clave para el desarrollo de los chips
Los tres científicos, todos afiliados a instituciones
estadounidenses, condujeron entre 1984 y 1985 una serie de experimentos con un
circuito eléctrico en los que demostraron efectos de la mecánica cuántica en un
sistema lo suficientemente grande como para sostenerse en la mano. Clarke, de
nacionalidad británica, es profesor en la Universidad de California, Berkeley;
Devoret, de nacionalidad francesa, trabaja en la Universidad de Yale y la
Universidad de California, Santa Barbara; y el estadounidense Martinis está en
UC Santa Barbara.
El Premio Nobel de Física de este año ha impulsado el
desarrollo de nuevas formas de tecnología cuántica, como la criptografía
cuántica, las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos. Los transistores
que integran los microchips en las computadoras representan aplicaciones
consolidadas de la tecnología cuántica en nuestra vida cotidiana.
Según Olle Eriksson, presidente del Comité Nobel de
Física, “es maravilloso celebrar cómo la mecánica cuántica, con un siglo de
antigüedad, ofrece continuamente nuevas sorpresas. Además, es enormemente útil,
ya que la mecánica cuántica es la base de toda la tecnología digital”.
Los galardonados también han demostrado que el sistema
físico estudiado responde exactamente a las previsiones de la mecánica
cuántica: sólo absorbe o emite cantidades concretas de energía, una característica
conocida como cuantización.
La mecánica cuántica permite que una partícula se
mueva a través de una barrera mediante un proceso llamado efecto túnel.
“Cuando lanzas una pelota contra una pared, puedes
estar seguro de que rebotará hacia ti y te sorprendería mucho si la pelota
apareciera, de repente, al otro lado de la pared”, indicó la Real Academia para
ilustrar el descubrimiento
El sistema eléctrico superconductor utilizado por
estos tres científicos podía pasar de un estado a otro, como si atravesara una
pared.
Cuando están involucradas grandes cantidades de
partículas, los efectos cuánticos generalmente se vuelven insignificantes. Los
experimentos de los laureados demostraron además que las propiedades de la
mecánica cuántica pueden hacerse concretas a escala macroscópica.
El
experimento clave de los laureados
Figura 6. John Clarke, Michel Devoret y John Martinis
construyeron un experimento utilizando un circuito eléctrico superconductor. El
chip que contenía este circuito tenía un tamaño aproximado de un centímetro.
Anteriormente, el efecto túnel y la cuantización de la energía se habían
estudiado en sistemas que contaban con unas pocas partículas; en este caso,
estos fenómenos aparecieron en un sistema mecánico cuántico con miles de
millones de pares de Cooper que llenaban todo el superconductor del chip. De este
modo, el experimento llevó los efectos mecánicos cuánticos de una escala
microscópica a una macroscópica. ©Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de
Ciencias
Los científicos construyeron un circuito electrónico
con superconductores, componentes que pueden conducir corriente sin resistencia
eléctrica. En el circuito, los componentes superconductores estaban separados
por una capa delgada de material no conductor, una configuración conocida como
unión Josephson. Al refinar y medir todas las propiedades de su circuito,
pudieron controlar y explorar los fenómenos que surgían cuando pasaban
corriente a través de él.
Las partículas cargadas que se movían a través del
superconductor conformaban un sistema que se comportaba como si fueran una sola
partícula que llenaba todo el circuito. Este sistema macroscópico similar a una
partícula estaba inicialmente en un estado en el que la corriente fluía sin
voltaje. El sistema estaba atrapado en este estado, como si estuviera detrás de
una barrera que no podía cruzar.
En el experimento, el sistema mostró su carácter
cuántico al lograr escapar del estado de voltaje cero mediante efecto túnel. El
cambio de estado del sistema se detectó a través de la aparición de un voltaje.
Los laureados también pudieron demostrar que el sistema se comporta de la
manera prevista por la mecánica cuántica: está cuantizado, lo que significa que
solo absorbe o emite cantidades específicas de energía.
En física cuántica, el efecto túnel es bien conocido
en partículas individuales. En 1928, el físico George Gamow descubrió que el
efecto túnel es la razón por la cual algunos núcleos atómicos pesados tienden a
desintegrarse de una manera particular. Sin el efecto túnel, este tipo de
desintegración nuclear no podría ocurrir.
Los físicos se preguntaron rápidamente si sería
posible investigar un tipo de efecto túnel que involucrara más de una partícula
a la vez. Los laureados utilizaron superconductores, materiales en los que los
electrones individuales se organizan formando pares, llamados pares de Cooper.
Estos pares se comportan de manera completamente diferente a los electrones
ordinarios y pueden describirse como una sola unidad, un sistema de mecánica
cuántica.
En
un conductor normal
En un conductor normal, los electrones chocan entre sí
y con el material. Cuando un material se convierte en superconductor, los
electrones se unen en pares, llamados pares de Cooper, y forman una corriente
sin resistencia. El espacio en la ilustración marca la unión Josephson. Los
pares de Cooper pueden comportarse como si fueran una sola partícula que llena
todo el circuito eléctrico. La mecánica cuántica describe este estado colectivo
utilizando una función de onda compartida. Las propiedades de esta función de
onda desempeñan un papel fundamental en el experimento de los galardonados.
©Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de Ciencias.
El trabajo teórico de Anthony Leggett sobre el efecto
túnel cuántico macroscópico en una unión Josephson inspiró nuevos tipos de
experimentos. A mediados de los años 1980, Devoret se unió al grupo de
investigación de Clarke en UC Berkeley como postdoctorado, después de recibir
su doctorado en París. El grupo también incluía al estudiante de doctorado
Martinis. Juntos, asumieron el desafío de demostrar el efecto túnel cuántico
macroscópico.
Fueron necesarias grandes cantidades de cuidado y
precisión para aislar la configuración experimental de todas las interferencias
que podrían afectarla. Los científicos lograron refinar y medir todas las
propiedades de su circuito eléctrico, lo que les permitió comprenderlo en
detalle. El chip que contenía el circuito medía aproximadamente un centímetro
de tamaño.
Para medir los fenómenos cuánticos, alimentaron una
corriente débil en la unión Josephson y midieron el voltaje. El voltaje sobre
la unión Josephson era inicialmente cero, como se esperaba. Luego estudiaron
cuánto tiempo tardaba el sistema en salir de este estado mediante efecto túnel,
causando un voltaje. Debido a que la mecánica cuántica implica un elemento de
azar, tomaron numerosas mediciones y trazaron sus resultados como gráficos.
Los laureados también introdujeron microondas de
diferentes longitudes de onda en el estado de voltaje cero. Algunas fueron
absorbidas y el sistema pasó a un nivel de energía más alto. Esto demostró que
el estado de voltaje cero tenía una duración más corta cuando el sistema
contenía más energía, exactamente lo que predice la mecánica cuántica.
Teóricos como Leggett han comparado el sistema
cuántico macroscópico de los laureados con el famoso experimento mental de
Erwin Schrödinger con un gato en una caja. Leggett argumentó que la serie de
experimentos mostró que hay fenómenos que involucran grandes cantidades de
partículas que juntas se comportan tal como predice la mecánica cuántica.
Este tipo de estado cuántico macroscópico ofrece nuevo
potencial para experimentos que utilizan los fenómenos que gobiernan el mundo
microscópico de las partículas. Puede considerarse como una forma de átomo
artificial a gran escala. Por ejemplo, los átomos artificiales se utilizan para
simular otros sistemas cuánticos. Los circuitos superconductores son una de las
técnicas que se están explorando en intentos de construir una futura
computadora cuántica.
El galardón representa el segundo premio Nobel
revelado esta semana, un día después de que Mary E. Brunkow, Fred Ramsdell y el
Dr. Shimon Sakaguchi ganaran el Premio Nobel de Medicina por sus
descubrimientos sobre cómo el sistema inmunológico distingue entre gérmenes y
células propias. El año pasado, los pioneros de la inteligencia artificial John
Hopfield y Geoffrey Hinton ganaron el premio de física por sus contribuciones
al aprendizaje automático.
El Premio Nobel de Física ha sido otorgado 118 veces a
226 laureados entre 1901 y 2024. Los anuncios del Nobel continúan esta semana
con el premio de química el miércoles, literatura el jueves y el Premio Nobel
de la Paz el viernes. El Premio Nobel de Economía se anunciará el 13 de
octubre.
La ceremonia de entrega de premios se celebrará el 10
de diciembre, aniversario de la muerte de Alfred Nobel en 1896, el industrial
sueco e inventor de la dinamita que fundó los premios. Los galardones conllevan
un prestigio inestimable y una dotación en metálico de 11 millones de coronas
suecas, equivalentes a casi 1,2 millones de dólares.
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