El Nobel de física premia a los investigadores que descubrieron "la mecánica cuántica en acción" dentro de un chip

No podía ser el año de la cuántica sin que el premio Nobel de física fuese también destinado al progreso realizado en este campo de la física durante los últimos cien años. De esta forma, la Academia Sueca de las Ciencias ha concedido el galardón a John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis, de la Universidad de California, por el descubrimiento del efecto de túnel cuántico macroscópico y la cuantización de la energía en un circuito eléctrico. "Es fantástico poder celebrar que la mecánica cuántica ha dado muchas sorpresas en sus cien años de vida y es la base de nuestra tecnología", ha destacado Olle Eriksson, miembro del Comité del Premio Nobel de Física.

La cuestión que los científicos estudiaron en 1985 era hasta qué tamaño los fenómenos cuánticos siguen estando presentes. Los estudios realizados por los científicos de la Universidad de California fueron claves para sentar las bases de la electrónica que hoy se encuentra presente en teléfonos móviles y ordenadores. Por otra parte, también han dado lugar a avances que hoy son fundamentales en el desarrollo de los ordenadores cuánticos. "Nunca imaginamos las implicaciones que tendrían nuestras investigaciones", ha declarado Clarke tras conocer el premio. Sus experimentos revelaron "la mecánica cuántica en acción", es decir, demostraron que las propiedades de la mecánica cuántica pueden concretarse a escala macroscópica.

Atravesar muros infranqueables

Hace casi cien años, el físico austríaco Erwin Schrödinger desarrolló las bases de la mecánica cuántica, teoría que explica el funcionamiento del mundo microscópico. Según esta teoría, las partículas subatómicas podrían atravesar barreras que según la teoría clásica serían imposibles de atravesar. Podemos imaginar a una niña chutando una pelota contra una pared maciza. En uno de esos disparos contra el muro la pelota no rebota y acaba al otro lado sin dejar rastro alguno. Éste es un fenómeno que, a pesar de no tener sentido en el mundo clásico al que estamos acostumbrados, en el mundo microscópico es de lo más habitual.

Sin embargo, a medida que el número de partículas involucradas aumenta, los efectos cuánticos como éste se convierten en insignificantes. La transición entre el mundo cuántico y la escala macroscópica ha sido, desde su fundación, una de las cuestiones fundamentales de la mecánica cuántica. Los experimentos llevados a cabo por los galardonados con el Nobel demostraron que estos efectos cuánticos no sólo pueden llegar a observarse a escalas macroscópicas sino que pueden tener un gran abanico de aplicaciones.

Partículas perfectamente orquestadas dentro de un chip

En un conductor ordinario, la corriente circula porque existe un voltaje y electrones que circulan libremente por el material. En algunos materiales especiales, los electrones individuales se organizan de dos en dos, en los conocidos como pares de Cooper. En ese estado, las partículas se mueven por el material sin resistencia eléctrica de forma sincronizada. Este estado cuántico en el que se encuentra el material se conoce como superconductor.

Entre los años 1984 y 1985, Clarke, Devoret y Martinis, condujeron una serie de experimentos con un chip compuesto, precisamente, por superconductores. En ese circuito eléctrico, los conductores se encontraban separados por una fina capa de material aislante llamado unión de Josephson. Cuando midieron las propiedades de este circuito se dieron cuenta de que podían explorar de forma controlada los fenómenos cuánticos cuando hacían pasar corriente. Los tres investigadores observaron que las partículas cargadas se movían a través del superconductor como si fueran una única partícula ocupando la totalidad del circuito. Esta macropartícula se encuentra en un estado en el que la corriente eléctrica fluye sin la necesidad de aplicar ningún voltaje. Los experimentos demostraron la naturaleza cuántica de ese macroestado al ver que era capaz de transitar hacia otro estado a través de un túnel cuántico. "Estuvimos más de un año trabajando en este experimento. La colaboración con Devoret y Martinis fue esencial", ha explicado Clarke, quien fue el líder del experimento.

La base de la tecnología actual

Los transistores que componen los microchips de nuestros ordenadores o teléfonos móviles son los ejemplos más notables en los que la mecánica cuántica ha demostrado jugar un papel importante en nuestro día a día. Los desarrollos derivados de las investigaciones de Clarke, Devoret y Martinis han abierto la puerta la nueva generación de tecnologías cuánticas, entre ellas la criptografía cuántica, y los ordenadores y sensores cuánticos. Actualmente, Cataluña es un polo puntero en el desarrollo de esta nueva generación tecnológica, conocida como segunda revolución cuántica, con las investigaciones llevadas a cabo en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y con empresas emergentes como LuxQuanta o Qilimanjaro.

La experta en computación cuántica en el Barcelona Supercomputing Center y coordinadora de Quantum Spain, Alba Cervera, ha destacado que el galardón sigue la línea del Nobel de física de 2022, en la que se premió a los pioneros de la información cuántica Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger. "En este caso, se premia el desarrollo de la física necesaria para poder explotar la información cuántica para fabricar tecnología. Muchos ordenadores cuánticos actuales están fabricados con cúbitos superconductores, es decir, utilizando los principios que los galardonados de este año desarrollaron", detalló Cervera en declaraciones a Science Media Centre.