Mi predicción también ha fallado este año; me parecía que sería un premio a la física cuántica, pero no acerté el tema. John Clarke (83 años), de la Universidad de California en Berkeley, California, EEUU, Michel H. Devoret (72 años), de la Universidad de Yale, New Haven, Connecticut, EEUU y de la Universidad de California en Santa Barbara, California, EEUU, y John M. Martinis (67 años), de la Universidad de California en Santa Bárbara, California, EEUU, logran el ansiado galardón por descubrir el efecto túnel cuántico macroscópico y la cuantización de la energía en un circuito eléctrico. La física cuántica siempre ha sido considerada la física de los sistemas microscópicos (átomos y moléculas). Sin embargo, los condensados de Bose–Einstein, los superconductores y muchos otros materiales son sistemas cuánticos macroscópicos. Observar efectos cuánticos, como el efecto túnel, en dichos sistemas es, a priori, posible, pero, en la práctica, requiere alardes técnicos. Los galardonados este año realizaron experimentos en circuitos eléctricos superconductores en los que observaron el efecto túnel usando los niveles de energía cuantizados; lo más sorprendente es que dichos circuitos se podían sostener en la mano. Entre 1984 y 1985, Clarke, Devoret y Martinis realizaron una serie de experimentos en uniones (o diodos) Josephson, formadas por dos superconductores separadas por un aislante. El aislante actúa como barrera de potencial que los pares de Cooper en los superconductores pueden atravesar. Cuando se aplica un voltaje cero en la unión se observa la aparición de un pequeño voltaje debido al efecto túnel de los pares de Cooper; además, dicho dispositivo está cuantizado, presentando niveles discretos de energía.  Este avance está en el germen de los cúbits superconductores, una tecnología cuántica ya consolidada, que se podría decir que recibe el más alto galarcón; además, el avance también ha permitido el desarrollo de otras tecnologías cuánticas (en especial, avances en metrología cuántica).

El premio me ha pillado por sorpresa, y no solo a mí, al propio Clarke, pues en opinión de muchos, el tema galardonado ya fue premiado. Leo Esaki (100 años) recibió el Premio Nobel de Física en 1973 por su trabajo circa 1950 sobre el efecto túnel cuántico entre electrones en semiconductores (en rigor, son cuasipartículas de tipo electrón), que permitió desarrollar la unión (o diodo) de efecto túnel. Esaki compartió el galardón con el noruego Ivar Giaver (96 años) por su trabajo circa 1960 sobre el efecto túnel cuántico entre electrones en superconductores (él no sabía que eran pares de Cooper, aunque la teoría BCS se publicó en 1957). Por cierto, Giaver demostró la existencia de un gap (salto de banda) en estos superconductores. ¿Qué diferencia el Nobel de 1973 del Nobel de 2025, más allá de 35 años de mejoras técnicas en los experimentos? ¿Sus aplicaciones? No lo creo, basta recordar que circa 1970 se propuso el transistor de efecto túnel (TFET), muy usado en electrónica (aunque se use la versión moderna de circa 2004). Más aún, ahora se premia el efecto túnel en una unión de Josephson, que también fue premiada en 1973. Esaki y Giaver compartieron su Nobel con Brian D. Josephson (85 años), que descubrió, con 22 años en 1962, el efecto Josephson, que permitió desarrollar las uniones (o diodos) Josephson. ¿Por qué un nuevo Nobel al mismo tema? Y para más inri, el microscopio de efecto túnel (STM) inventado en 1981 por Gerd Binnig (78 años) y Heinrich Rohrer (79 años) recibió el Nobel de Física en 1986. ¿Qué hay realmente de novedoso en el logro premiado (más allá del alarde técnico de probar la cuantización de los niveles energéticos)? Las cosas de palacio, y las del comité Nobel, son insondables (dentro de 50 años sabremos las nominaciones que recibieron).

Al grano, a principios de los 1980 el efecto túnel estaba de moda, por ello Clarke (el investigador principal), Devoret (el investigador postdoctoral) y Martinis (el investigador predoctoral) realizaron una serie de experimentos sobre el efecto túnel en uniones de Josephson entre 1984 y 1985 en la Universidad de California en Berkeley. La única diferencia sustancial de su trabajo con otros nobelados es que usaron la palabra macroscópico, que les llevó a un artículo en Science en 1988. Lo que no quita mérito a lo que lograron. Cuando no se aplica un voltaje a la unión Josehpson se espera que no fluya corriente por ella; sin embargo, de forma espontánea aparece una corriente, debido al salto por efecto túnel de los pares de Cooper a través del aislante entre los superconductores. Pasa lo mismo que con la unión túnel de Esaki, pero en lugar de electrones saltan pares de electrones. Este efecto es probabilístico y se caracteriza por una vida media, el tiempo que tarda en producirse el salto. Los galardonados demostraron que este sistema macroscópico tiene niveles de energía cuantizados; aplicando microondas a diferentes longitudes de onda se logró observar las transiciones entre diferentes niveles de energía, cuya vida media dependía del nivel energético (siempre en perfecto acuerdo con la mecánica cuántica).

La palabra macroscópico en física cuántica es muy atractiva porque nos lleva al infame gato de Schrödinger. De hecho, teóricos como Anthony Leggett (87 años), Premio Nobel de Física en 2003, consideran que las uniones Josephson exploradas por Clarke, Devoret y Martinis son un ejemplo de gato de Schrödinger. Abusemos del lenguaje y digamos que el estado fundamental de la unión es el gato muerto y el primer estado excitado el gato vivo. Como es obvio, la analogía está forzada al máximo; el sistema macroscópico formado por pares de Cooper se parece bastante poco a lo que cualquiera imaginaría como un minino cuántico. Otros físicos teóricos han llamado átomo artificial macroscópico a estas uniones Josehpson, porque presentan estados energéticos cuantizados. Tampoco me gusta este tipo de lenguaje (que fascina a los periodistas científicos). Y me dirás, pero seguro que todo esto tiene muchas aplicaciones. Pero no es así, tienen muchas más aplicaciones los transistores de efecto túnel inspirados por la unión de Esaki. Y me enfatizarás, pero Clarke y Martinis son conocidos pioneros de los cúbits superconductores que se usan en los ordenadores cuánticos con esta tecnología. Cierto es, pero entonces por qué no se les premia por dichos trabajos. La información Nobel cita aplicaciones del trabajo galardonado en computadores cuánticos, cifrado cuántico y en metrología cuántica (en rigor, solo esta última mención me aparece razonable). En cualquier caso, me alegra un premio cuántico en el año de la cuántica. La academia sueca vuelve a sorprender a propios y a extraños.

El anuncio oficial del Nobel en YouTube, Nota de Prensa [pdf], Información Divulgativa [pdf], y Descripción Avanzada [pdf]. Recomiendo leer a Elizabeth Gibney, Davide Castelvecchi, «Groundbreaking quantum-tunnelling experiments win physics Nobel,» News, Nature, 07 Oct 2025; Science News Staff, «Physics Nobel awarded for macro demonstration of quantum effects,» Science Inside, 07 Oct 2025; «Nobel de Física 2025 a los descubridores del efecto túnel macroscópico que abre la puerta a la computación cuántica», elDiario.es, 07 oct 2025; Daniel Mediavilla, «Premio Nobel de Física para John Clarke, Michel Devoret y John Martinis por revelar la física cuántica en acción,» El País, 07 oct 2025; entre muchas otras.

Los artículos premiados son los siguientes: M. H. Devoret, J. M. Martinis, D. Esteve, J. M. Clarke, “Resonant Activation from the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction,” Physical Review Letters 53: 1260-1263 (1984), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.53.1260 [PDF]; J. M. Martinis, M. H. Devoret, J. Clarke, “Energy-Level Quantization in the ZeroVoltage State of a Current-Biased Josephson Junction,” Physical Review Letters 55: 1543-1546 (1985), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.55.1543 [PDF]; M. H. Devoret, J. M. Martinis, J. Clarke, “Measurement of Macroscopic Quantum Tunneling out of a Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction,” Physical Review Letters 55: 1908-1911 (1985), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.55.1908 [PDF]. También se cita a J. Clarke, A. N. Cleland, M. H. Devoret, D. Esteve, J. M. Martinis, “Quantum Mechanics of a Macroscopic Variable: The Phase Difference of a Josephson Junction,” Science 239: 992-997 (1988), doi: https://doi.org/10.1126/science.239.4843.99  [PDF]. Recomiendo leer la tesis doctoral de J. M. Martinis, “Macroscopic quantum tunneling and energy-level quantization in the zero voltage state of the current-biased Josephson junction,» University of California, Berkeley (1985) [PDF ProQuest].

Todo el mundo ha oído hablar del efecto túnel cuántico. Todo sistema cuántico (no relativista) se describe por una función de onda de Schrödinger (Nobel 1933) caracterizada por una longitud de onda de De Broglie (Nobel 1929). Una barrera de potencial más estrecha que dicha longitud permite que el sistema cuántico la atraviese con una probabilidad significativa (y medible). En 1928 el soviético George Gamow (1904–1968) explicó la radioactividad alfa como el efecto túnel de una partícula alfa (núcleo de helio) a través de la barrera de potencial de un núcleo pesado (Z>50, A>100; de hecho, el más ligero es el telurio-105 (¹⁰⁵Te) con Z = 52 y A = 105); hito repetido de forma independiente por el británico Ronald W. Gurney (1898-1953) y el estadounidense Edward U. Condon (1902-1974). En aquellos tiempos la Academia Sueca consideraba que el efecto túnel era tan obvio que no merecía un Premio Nobel.

También todo el mundo ha oído hablar de la teoría BCS de la superconductividad (convencional o de baja temperatura crítica), que recibió el Premio Nobel de Física de 1972. Se galardonó por segunda vez a John Bardeen (1908–1991), que ya recibió el Nobel en 1956 por el transistor, junto al genial Leon N. Cooper (1930–2024) y a John Robert Schrieffer (1931–2019). En dicha teoría se explica el estado superconductor con la formación de pares de electrones, llamados pares de Cooper. En rigor, no hay diferencia conceptual entre las cuasipartículas de tipo electrón (tunelado de Esaki en semiconductores) y las cuasipartículas de tipo par de Cooper (tunelado de Giaver en superconductores). El tunelado de pares de Cooper en uniones de Josephson es una consecuencia trivial de la teoría BCS, pudiéndose considerar ya galardonado con el Nobel de 1972.

En un superconductor se forma un condensado macroscópico de pares de Cooper que se describe con una única función de onda cuántica. Lo mismo ocurre en un estado condensado de Bose–Einstein, una niña bonita de la academia sueca (Premio Nobel de 2001 a Eric A. Cornell, Carl E. Wieman y Wolfgang Ketterle). En 1962, Brian D. Josephson (85 años) predijo el efecto túnel de pares de Cooper entre dos superconductores separados por un aislante, la llamada unión Josephson (por lo que recibió el Premio Nobel en 1973). Este efecto fue descubiero en los Bell Labs y tuvo aplicaciones muy tempranas en metrología, como los dispositivos SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) para la medida ultraprecisa de campos magnéticos. Dado que los condensados en un superconductor son estados cuánticos macroscópicos, más en broma que en serio, se les llamó estados tipo gato (cat states), en referencia al gato de Schrödinger. Anthony J. Leggett (Nobel 2003) propuso en 1978 el estudio experimental de este tipo de estados tipo gato usando uniones Josephson enfriadas a pocos milikelvin; junto a su estudiante Amir O. Caldeira publicó más detalles teóricos en 1981. Este trabajo parece que inspiró a Clarke a estudiar a nivel experimental el llamado efecto túnel macroscópico (MQT, por Macroscopic Quantum Tunneling).

La idea es muy sencilla y se puede explicar con un modelo circuital de parámetros concentrados de la unión (ilustrado en la figura). Para una unión Josephson ideal se cumplen las (bien conocidas) ecuaciones para la corriente, I = I₀ sin(δ), donde δ(t) es la diferencia de fase macroscópica (común a todos los pares de Cooper en el condensado, pero dependiente del tiempo), y para el voltaje, V = (ħ/2e) dδ/dt (en la figura se usa la notación de Newton con puntos para las derivadas). Para una unión con cierta capacitancia (C), la ecuación de la corriente es  I = I₀ sin(δ) + (ħ/2e) C d²δ/dt². Esta última ecuación se parece a la ecuación de Newton efectiva para una hipotética partícula con posición δ(t).

La fuerza efectiva que actúa sobre esta hipotética partícula es conservativa, dada por el potencial newtoniano U(δ) ∝ −cos(δ) − (I/I₀) δ. Ajustando la corriente I para que sea inferior a la corriente crítica I₀ (I < I₀), se obtiene un potencial de tipo lavadero inclinado, tilted washboard (ilustrado en las figuras a y b). Este potencial presenta una serie de mínimos locales metaestables, donde la partícula queda atrapada de forma temporal; en cada mínimo local el voltaje a través de la unión se anula, V ∝ dδ/dt = 0 (lo que se ilustra en la figura a). Al aumentar la corriente de polarización por encima de la corriente crítica (I > I₀), la partícula logra abandonar el mínimo del potencial y se desplaza cuesta abajo con voltaje V ∝ dδ/dt > 0 (lo que se ilustra en la figura b). Una partícula clásica (newtoniana), a temperatura cero, se mantendrá atrapada en un mínimo del potencial de forma indefinida (lo que se ilustra en la figura c). Sin embargo, una partícula cuántica descrita por una función de onda Ψ₀(δ) más ancha que el pozo de potencial en el mínimo local tendrá una probabilidad finita de escapar por efecto túnel cuántico (lo que se ilustra en la figura d).

El experimento propuesto por Leggett y Caldeira parecía tan sencillo, que a principios de la década de los 1980 muchos grupos de físicos experimentales intentaron demostrar el efecto túnel macroscópico en uniones Josephson. Como ya será obvio para el lector, encontraron diferentes dificultades prácticas que impidieron que ahora estén recibiendo su Nobel. El premio se lo llevaron nuestros héroes del grupo de Berkeley, liderado por Clarke desde 1969, especializado en uniones Josephson y sus aplicaciones en magnetometría (dispositivos SQUID) y bolometría, la medida de la radiación electromagnética a través del calentamiento (dispositivos como los TES, sensores en el borde de la transición superconductora, y las uniones S-I-N y S-I-S, superconductor–aislante–metal y superconductor–aislante–superconductor, entre otros). El experimento clave se realizó tras la llegada del francés Devoret (que desde entonces vive en EEUU) como investigador postdoctoral y de Martinis como investigador predoctoral (de hecho, los experimentos clave se realizaron como parte de la tesis doctoral defendida en 1985 por Martinis, cuyo título es muy parecido a la mención del comité Nobel, en concreto, «Macroscopic quantum tunneling and energy-level quantization in the zero voltage state of the current-biased Josephson junction«).

Fuente: Clarke, …, Devoret, …, Martinis, Science 239: 992-997 (1988) [DOI].

Clarke, Devoret y Martinis se adelantaron a su competencia gracias a un diseño experimental exquisito. Tres fueron las claves de su éxito. Primero, el uso de una serie de filtros de microondas que lograban una atenuación del ruido superior a 200 dB (decibelios) en el rango de frecuencias entre 0.1 y 12 GHz (usaron los más modernos, en aquella época, filtros paso bajo para microondas basados en polvo de cobre). Segundo, un control preciso de la temperatura en las diferentes regiones del esquema experimental, en especial, para evitar la contaminación térmica debido al calentamiento de los propios criostatos. Y tercero, la activación resonante de la unión Josephson mediante una línea de control de microondas débilmente acoplada. La frecuencia de la resonancia permitía determinar la frecuencia de la partícula atrapada en el mínimo local del potencial en el régimen clásico. Y la anchura de la resonancia caracterizaba la resistencia espurea de la unión, gracias a la cual se podía estimar la corriente crítica de la unión sin necesidad de usar un circuito adicional de microondas. La determinación independiente de todos los parámetros del modelo teórico fue capital en el éxito del experimento.

El acuerdo entre la teoría y los resultados experimentales en los regímenes clásico (I < I₀) y cuántico (I > I₀) fue excelente (como ilustra esta figura de los resultados). Por cierto, estas figuras son del artículo en Science en 1988; en los tres artículos galardonados publicados en Physical Review Letters entre 1984 y 1985 los resultados son buenos, pero no son tan espectaculares. Animo a quién quiera ver las diferencias que los consulte (arriba están los enlaces y los PDF). El análisis cuantitativo del experimento permitió realizar espectroscopia de microondas del estado macroscópico de la unión. Así se confirmó la predicción obtenida en la aproximación WKB (Wentzel–Kramers–Brillouin) de que la función de onda de los estados excitados percibe una barrera de túnel más delgada en el estado excitado que en el estado fundamental (llegaron a obsevar el fenómeno hasta el tercer estado excitado). Este punto fue clave para que afirmasen que habían observado niveles energéticos cuantizados en la unión Josephson, confirmando la naturaleza cuántica del efecto túnel.

Esta figura ilustra los resultados para el efecto túnel desde el primer, segundo y tercer estado excitado. Para ello se irradió con microondas (2 GHz) la unión mientras se varió la corriente (I), lo que modifica la forma del potencial en cada mínimo. Los resultados experimentales en función de la temperatura muestran que los niveles excitados inferiores estaban bien poblados (k_B T/ħ = 0.29). Así se confirmó que el grado de libertad macroscópico asociado al condensado superconductor es la diferencia de fase de la unión (δ); esta es otra prueba de que la partícula efectiva en el pozo de potencial se comporta como una partícula individual según la descripción de la mecánica cuántica (como es obvio se trata de una cuasipartícula). En resumen, estos experimentos demostraron que el efecto túnel cuántico se puede observar en un sistema cuántico macroscópico formado por muchas partículas (en rigor, muchas cuasipartículas, cada una resultado del comportamiento colectivo de muchas más partículas). Clarke, Devoret y Martinis en lugar de hablar de átomo macroscópico, hablaron de núcleo macroscópico (en referencia al tunelado en la radiactividad alfa); hoy se suele llamar átomo artificial a este tipo de sistemas cuánticos macroscópicos con niveles energéticos bien definidos.

Por supuesto, estos trabajos pioneros (basados en la tesis doctoral de Martinis) fueron continuados por otros en la década de los 1990. Se exploraron todos los detalles, dejando claro que los circuitos superconductores permiten estudiar fenómenos cuánticos a escala macroscópica. Entre sus consecuencias se encuentra la tecnología de cúbits superconductores en ordenadores cuánticos. Primero se propuso el cúbit implementado con una caja de un solo par de Cooper (SCB, por Single Cooper pair Box), que se logró implementar en 1999 (Nakamura, Pashkin y Tsai). Este dispositivo era muy sensible al ruido de carga, lo que inducía mucha decoherencia. Se propusieron diferentes soluciones, pero la más eficaz ha sido el cúbit de tipo transmón (transmission-line shunted plasma oscillation qubit), implementado en 2007 (Koch, Orlando, Schoelkopf y Girvin de la Universidad de Yale). Hoy en día los ordenadores cuánticos basados en cúbits superconductores usan cúbits de tipo transmón. Un buen ejemplo es Sycamore de Google, que demostró la supremacía cuántica bajo el liderazgo de Martinis (quien abandonó Google en el año 2000). ¿Considera la Academia Sueca que con este galardón se ha premiado a la tecnología de cúbits superconductores? Quizás sí, o quizás no, todo depende de si esta tecnología logra un futuro Nobel (quién sabe).