Premio Nobel de Física 2025
(nobelprize.org)- John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis lograron implementar fenómenos cuánticos tradicionalmente posibles solo en el ámbito microscópico en sistemas lo bastante grandes como para caber en la mano
- Mediante circuitos eléctricos superconductores, demostraron directamente la tunelización cuántica macroscópica y la cuantización de la energía en sistemas compuestos por múltiples partículas
- En los experimentos, el sistema cambia de estado mediante efectos de tunelización y absorbe o emite energía solo en cantidades específicas
- Esta investigación ofrece una comprensión profunda de los efectos cuánticos observables a escala macroscópica y de su significado teórico y experimental
- Este logro es una demostración clave que sienta las bases para el desarrollo de tecnologías cuánticas y la realización de la computación cuántica
Propiedades cuánticas observadas a escala humana
Los ganadores del Premio Nobel de Física 2025, John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis, demostraron experimentalmente que los extraños fenómenos del mundo cuántico también aparecen en sistemas lo bastante grandes como para sostenerse en la mano. Los circuitos eléctricos superconductores que construyeron muestran tunelización entre estados, como si atravesaran una pared para desplazarse. Además, los circuitos absorben o emiten únicamente cantidades determinadas de energía, tal como predice la mecánica cuántica.
Serie de experimentos innovadores
- La mecánica cuántica explica fenómenos al nivel de partículas individuales, pero en los fenómenos macroscópicos cotidianos los efectos cuánticos no se manifiestan
- Sin embargo, Clarke, Devoret y Martinis verificaron experimentalmente la tunelización cuántica macroscópica en circuitos eléctricos hechos de superconductores, donde muchas partículas se mueven como una sola partícula gigante
- A diferencia de casos conocidos de uso de la tunelización cuántica, como el decaimiento nuclear, este fenómeno se confirmó en un sistema donde miles de millones de partículas realizan un movimiento sincronizado al mismo tiempo
- En el circuito experimental se colocaron dos superconductores y una delgada barrera aislante conductiva (Josephson junction), describiendo el movimiento colectivo de los pares de Cooper mediante una sola función de onda
Mecánica cuántica que cruza túneles y fronteras
- La tunelización cuántica ya era un efecto bien conocido en partículas individuales, pero los galardonados demostraron que también aparece simultáneamente en muchas partículas y a escala macroscópica
- Los pares de Cooper están ligados en el mismo estado cuántico, por lo que pueden describirse como una sola partícula gigante y también mediante una función de onda colectiva
- El Josephson junction es un componente central para investigar fenómenos cuánticos, ya que permite experimentos para explorar la interacción entre funciones de onda y los efectos cuánticos macroscópicos a través de una delgada región aislante entre dos superconductores
El reto experimental del grupo de investigación
- John Clarke dirigió en Berkeley diversas investigaciones de física sobre superconductores y Josephson junctions
- Michel Devoret, como investigador posdoctoral, y John Martinis, como estudiante de doctorado, colaboraron con Clarke. Los tres lograron obtener evidencia experimental de la tunelización cuántica macroscópica y realizar mediciones de alta precisión
- En los experimentos, se suministró una corriente débil al Josephson junction; al principio se observó un estado de 0 voltios, pero tras cierto tiempo se registró numéricamente un cambio cuántico en el que aparecía voltaje por tunelización
- Repitiendo el mismo experimento muchas veces, acumularon datos estadísticos y analizaron la distribución del tiempo de espera para la tunelización, de forma similar a la medición de la vida media en el decaimiento nuclear
Cuantización de la energía y precisión experimental
- Los resultados experimentales confirmaron también la cuantización de la energía: el conjunto de pares de Cooper provoca cambios simultáneos de estado energético como si fuera una sola partícula gigante, absorbiendo y emitiendo solo cantidades específicas de energía
- Al inyectar microondas para elevar el sistema a un estado de mayor energía, se observó una reducción del tiempo de espera para la tunelización, en concordancia con las predicciones de la mecánica cuántica
Importancia práctica y teórica
- Los fenómenos cuánticos macroscópicos conocidos hasta ahora (por ejemplo, el láser, la superconductividad y la superfluidez) son el resultado de la suma de propiedades cuánticas individuales de la materia. Pero estos experimentos demostraron que el propio gran conjunto está en un estado cuántico
- Este experimento puede compararse con el experimento mental del gato de Schrödinger, y demuestra que conjuntos de muchas partículas realmente obedecen las leyes de la mecánica cuántica
- Los estados cuánticos macroscópicos se convierten en la base para desarrollar plataformas experimentales nuevas, como los átomos artificiales, así como tecnologías avanzadas como la implementación de qubits en la computación cuántica
- En particular, John Martinis también presentó, a partir de estos logros experimentales, experimentos de computación cuántica que implementan directamente en circuitos los estados 0 y 1 de un qubit
Conclusión
- El Premio Nobel de Física 2025 fue otorgado a Clarke, Devoret y Martinis por demostrar experimentalmente por primera vez la tunelización cuántica y la cuantización de la energía en circuitos eléctricos macroscópicos
- Esta investigación impulsó el avance experimental y teórico de la mecánica cuántica y abrió el camino a nuevas áreas tecnológicas
Información adicional
- Se puede consultar material científico de contexto más detallado sobre los Premios Nobel de este año en www.kva.se y www.nobelprize.org
- Información sobre press conference, conferencias, exhibiciones y más puede encontrarse en www.nobelprizemuseum.se
Ganadores del Premio Nobel de Física 2025
- John Clarke: nacido en 1942 en Cambridge, Reino Unido; doctorado en 1968 por la University of Cambridge; actualmente profesor en la University of California, Berkeley
- Michel H. Devoret: nacido en 1953 en París, Francia; doctorado en 1982 por Paris-Sud University; actualmente profesor en Yale University/University of California, Santa Barbara
- John M. Martinis: nacido en 1958; doctorado en 1987 por la University of California, Berkeley; actualmente profesor en la University of California, Santa Barbara
“Descubrimiento de la tunelización cuántica macroscópica y la cuantización de la energía en circuitos eléctricos”
1 comentarios
Opinión de Hacker News
Yo aprendí electrónica con un ganador del Nobel.
En mi carrera de física y durante el doctorado, la electrónica analógica fue la clase más difícil y al mismo tiempo la más gratificante.
Recuerdo haber pasado noches enteras en el laboratorio peleando para hacer funcionar filtros, dormir unas pocas horas y volver antes del amanecer.
En gran parte era por dejar todo para después, pero igual guardo recuerdos increíbles de esa época.
El concepto que menos entendía en ese entonces era el de una fuente de corriente.
Las fuentes de voltaje me resultaban familiares, pero una fuente de corriente me parecía casi magia.
Le pregunté al profesor Martinis, y parecía no entender por qué yo no lo entendía.
La respuesta correcta era realimentación (
feedback, control por realimentación).Una buena fuente de voltaje también necesita realimentación.
El profesor estaba tan acostumbrado a la realimentación que no mencionó que ese era el punto clave, y yo ni siquiera había oído hablar del concepto de control.
Al final apliqué para ser investigador de pregrado en su laboratorio, pero me rechazaron.
Personalmente creo que fue porque no entendía el concepto de fuente de corriente, aunque también pudo haber sido por haber aplicado tarde, o quizá por mi nota de A- (por procrastinar).
Terminé buscando a un investigador en biofísica, y desde entonces me convertí en biofísico, por un camino completamente distinto.
Viéndolo ahora, creo que tuve suerte.
Nunca imaginé que la biofísica sería parte de mi vida.
Claro, también podría haber sido divertido irme al campo de materiales cuánticos o QI/QC.
Ahora estoy estudiando con Mike and Ike (el libro de texto) y me está pareciendo realmente fascinante.
Después del doctorado cofundé una startup de control industrial y automatización.
Ahora sí entiendo bastante bien la realimentación, y también las fuentes de corriente (me tomó mucho tiempo, pero al final aprendí).
(Por cierto, también es importante notar que una buena fuente de voltaje ajusta la resistencia, y una buena fuente de corriente ajusta el voltaje. Gran parte de por qué una fuente de corriente me parecía más difícil era porque estaba demasiado acostumbrado a las fuentes de voltaje, como las baterías. En realidad debería haberlo abordado con más espíritu crítico. También aprendí que, en la práctica, una fuente de voltaje ideal (resistencia muy alta) es relativamente fácil de hacer, mientras que una fuente de corriente ideal (resistencia 0) es realmente difícil)
La frase "una buena fuente de voltaje ajusta la resistencia, y una buena fuente de corriente ajusta el voltaje" podría prestarse un poco a confusión.
Quisiera preguntar si quieres decir que una fuente de voltaje regula la corriente y una fuente de corriente regula el voltaje (tal vez no importe mucho, pero me dio curiosidad).
Si hicieras una fuente de corriente ideal, la ajustaras a 50mA y luego se la clavaras a alguien, sonaría bastante aterrador.
Lo de "lo entiendo bien*" fue un typo (qué lástima que ya no se puede editar).
También es posible hacer una fuente de corriente fija, ineficiente pero sin realimentación.
Fred Ramsdell ganó esta vez el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2025.
Dicen que ahora mismo está totalmente "off-grid" haciendo senderismo, así que no han podido contactarlo.
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Devoret y Martinis también están llevando de verdad la ingeniería cuántica a una nueva etapa.
Devoret está en Google Quantum AI y Martinis en Qolab.
Un amigo mío también hizo el doctorado con Devoret, y también conozco a alguien que trabaja con Martinis.
Con este Nobel, ambos van a recibir muchísimas invitaciones a charlas y conferencias magistrales, así que me pregunto si volveré a ver la cara de mis asesores.
Las charlas invitadas por lo general las puedes elegir tú mismo, pero hay una excepción.
Según las reglas del Nobel, el ganador debe dar obligatoriamente una conferencia dentro de los 6 meses, sobre un tema seleccionado por la institución que otorgó el premio.
La conferencia del Nobel de Física 2024 (sobre las raíces de las redes neuronales) también se dio justo antes de la ceremonia, y puede verse en el canal educativo de la televisión sueca y en YouTube.
Enlace al video relacionado
Se siente un poco raro ver que Devoret reciba atención por su cuenta sin Schoelkopf.
Pasé tiempo en el departamento de física de UCSB y conocí al profesor Martinis.
Entre los físicos experimentales, Martinis sabía muchísimo más sobre electrónica e instrumentación que un graduado típico de ingeniería eléctrica.
Compartía materiales como circuitos, documentación y archivos CAD que él mismo había desarrollado en formato tipo wiki, y también publicaba software de código abierto para controlar equipo electrónico.
Me enorgullece que UCSB vuelva a recibir otro Nobel.
También vale la pena mencionar que la mayor parte del trabajo relacionado con el Nobel que ganó Martinis se realizó en NIST (el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU., dependiente del Departamento de Comercio).
Si quieres entender por qué estos fenómenos cuánticos y efectos cuánticos macroscópicos son importantes e interesantes, me gustaría recomendar “Through Two Doors at Once” de Anil Ananthaswamy.
double slit experiment)?Es genial ver cómo University of California, Berkeley y University of Cambridge siguen ampliando su lista de exalumnos ganadores del Nobel.
Nunca había oído hablar de Paris-Sud University, pero con esto ya sería su cuarto ganador del Nobel.
Muchas veces las instituciones de enseñanza y de investigación están separadas, y mucha investigación y muchos títulos se hacen en colaboración entre varias universidades e institutos.
Por ejemplo, un solo laboratorio puede ser operado conjuntamente por 5 escuelas y 3 institutos nacionales de investigación, y un estudiante puede recibir al mismo tiempo títulos a nombre de distintas instituciones mediante programas conjuntos.
Por eso, desde fuera, cuesta bastante entender toda la estructura.
Tengo una pregunta medio de humanidades.
"Una pelota lanzada contra una pared siempre rebota, pero una partícula del mundo microscópico puede simplemente atravesar un obstáculo y aparecer del otro lado. A eso se le llama túnel."
Quisiera saber si eso significa que la partícula en realidad no choca con la pared y pasa por un espacio diminuto, o si está ocurriendo algo aún más extraño.
Para nada es una pregunta tonta.
Desde una perspectiva clásica, uno podría imaginar una partícula esquivando la pared y pasando por algún huequito.
Pero el túnel cuántico es algo completamente distinto.
Aquí la "pared" no es tanto un objeto físico como una barrera de energía.
Clásicamente, si una partícula no tiene energía suficiente para superar esa barrera, jamás podría pasar. Pero en mecánica cuántica la partícula tiene naturaleza ondulatoria, y aunque la amplitud de la función de onda disminuye al atravesar la barrera, no se vuelve cero.
Como resultado, del otro lado de la barrera sigue existiendo una probabilidad, muy pequeña pero real, de que la partícula esté allí, y al medirla puede efectivamente encontrarse al otro lado.
Lo impresionante del experimento que está detrás de este Nobel es que no se midió el túnel de una sola partícula como un electrón, sino el de muchas partículas compartiendo al mismo tiempo una función de onda macroscópica.
Estaban en un estado coherente en el que la función de onda se extendía a través de la barrera, y por eso quedaba una amplitud de probabilidad significativa del otro lado, suficiente para que la observación fuera posible.
Sí, es algo todavía más extraño.
Imagina una situación en la que una partícula está en un estado de baja energía A, y para llegar a otro estado de baja energía C tendría que pasar por un estado intermedio B de energía alta.
Clásicamente, sin que se le suministre energía externa, no podría ir de A a C; pero en la práctica se observa que la partícula puede pasar a C como si se teletransportara, sin energía adicional.
Entonces queda la duda de si la partícula realmente pasó por B (puedes entenderlo como que en realidad no parece haber pasado por B).
Una versión simplificada de este fenómeno se parece al concepto de una "barrera de potencial".
Así como una pelota frente a una colina (una barrera de energía) no puede cruzarla si no tiene suficiente velocidad, en mecánica clásica una partícula necesita suficiente energía para superar la barrera.
Pero en el caso cuántico, incluso si no tiene la energía suficiente, la función de onda decrece exponencialmente dentro de la barrera sin volverse del todo cero, así que existe una probabilidad de encontrar la partícula del otro lado.
En mecánica cuántica, la "pelota" (o partícula ideal) viene acompañada de una función de onda.
Si calculas esa función de onda, queda una probabilidad distinta de cero de que la partícula exista al otro lado de la pared.
Puede que haya una explicación más profunda, pero hasta donde yo lo entiendo, así funciona.
Esa "partícula individual" de la que se habla aquí no es una partícula clásica como la pelota que conocemos, sino un "objeto cuántico" que según la situación puede comportarse como onda o como partícula.
Definitivamente es un concepto misterioso.
También leí esta mañana el artículo del New York Times y no me dejó satisfecho.
Así que entré a HN buscando mejor información, y efectivamente encontré mejores artículos y explicaciones, lo cual me dejó contento.
El artículo presentado aquí está al nivel de un estudiante de preparatoria, pero desde mi perspectiva de doctor en física retirado, pude entender bien tanto el experimento como la teoría.
Cada año me emociona ver qué descubrimiento revolucionario será destacado en el Nobel de Física.
Me entusiasma pensar que voy a seguir aprendiendo sobre los desarrollos más recientes.