El premio Nobel de Física de este año, que se entrega hoy en Estocolmo, se ha concedido por la observación de efectos cuánticos en magnitudes físicas macroscópicas, un hallazgo que refuta la noción de que la mecánica cuántica solo es relevante en el mundo microscópico, a escala atómica o menor. Los físicos premiados son los norteamericanos John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis, siendo los dos primeros de origen británico y francés. El trabajo premiado se realizó en la Universidad de California en Berkeley a mediados de los años 80 del siglo pasado, siendo Clarke profesor, Devoret investigador postdoctoral y Martinis estudiante de doctorado.
La moderna mecánica cuántica, que cumple este año su primer centenario (por el que 2025 ha sido declarado el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas), está llena de predicciones poco o nada intuitivas que aún hoy siguen sorprendiéndonos porque chocan con nuestra experiencia cotidiana. Sin embargo, al menos hasta ahora, cada vez que se ha puesto a prueba una predicción cuántica, invariablemente esta ha sido comprobada, sin que parezca importar cuán alejada esa predicción puede estar de nuestro sentido común, forjado en la observación directa de un mundo macroscópico.
Llevamos pues cien años de mecánica cuántica con multitud de comprobaciones realizadas a diario. En general, los efectos cuánticos se asocian al mundo de lo muy pequeño. Por ejemplo, el comportamiento de la posición del electrón en una molécula solo puede entenderse en términos de física cuántica. En ese escenario, estamos acostumbrados a visualizar el electrón como una onda-partícula que puede estar en distintos lugares a la vez dentro de la misma molécula.
Pero la mecánica cuántica tiene consecuencias a escala macroscópica. Por ejemplo, las caras planas con ángulos fijos en la superficie de un mineral son consecuencia del enlace químico covalente que solo puede entenderse en términos de física cuántica. Más generalmente, la rigidez de un sólido y la misma estabilidad de la materia ordinaria tienen también un origen cuántico. Sin embargo, la dinámica de los objetos macroscópicos resultantes, con sus variables macroscópicas bien definidas, sigue las leyes de la física clásica. Ejemplos típicos de esas variables son la posición y velocidad del centro de masas.
Un experimento con superconductores
A principios de los años 80, el físico británico Anthony J. Leggett (premio Nobel de Física en 2003 por sus contribuciones a la teoría del He-3 superfluido) planteó la cuestión de si la mecánica cuántica podría observarse directamente en la dinámica de algunas variables o grados de libertad colectivos. Ver algún efecto cuántico en la posición del centro de masas de un sólido parecía demasiado difícil, pero en variables macroscópicas más sutiles como la fase de una unión Josephson, había alguna posibilidad. Para proseguir necesitamos explicar qué es esa fase.
Un superconductor es un metal que transporta corriente eléctrica sin disipación (o sea, sin caída de voltaje). Una unión Josephson es una conexión débil entre dos superconductores que mantiene la coherencia entre ellos. Su principal variable dinámica es la fase (más precisamente, la diferencia de fase) entre los dos superconductores, que tiene las siguientes propiedades: por debajo de un valor crítico, la corriente eléctrica fluye sin disipación con un valor que depende de la fase. Si esta es constante en el tiempo, la caída de voltaje es cero; si varía con el tiempo, se genera un voltaje distinto de cero.
En el experimento de los galardonados se observa una superposición de distintos estados de una corriente eléctrica a escala macroscópica
Siguiendo las propuestas teóricas de Leggett, los tres galardonados prepararon una unión Josephson a la que se aplica una fuente de corriente. La fase inicial es constante en el tiempo porque está atrapada en un pozo de potencial que le impide cambiar de valor o “moverse”. La fase puede sortear la barrera confinante por activación térmica o por el efecto de túnel cuántico. A temperaturas suficientemente bajas, la liberación o decaimiento de la fase solo es posible por efecto túnel y el ritmo al que eso ocurre es independiente de la temperatura.
Una vez liberada, la fase crece con el tiempo, lo cual se traduce en una caída de voltaje. Este experimento se repite muchas veces y la liberación de la fase ocurre cada vez en un momento distinto, pero la mecánica cuántica predice muy bien la estadística de los tiempos de decaimiento.
Como el gato de Schrödinger
En un momento intermedio, cuando el salto todavía no se ha detectado, podemos afirmar que la unión Josephson está en una superposición coherente de distintos valores del voltaje, variable macroscópica que involucra a miles de millones de electrones simultáneamente. La situación es similar a la del famoso gato de Schrödinger que podría estar en vivo y muerto a la vez, solo que ahora la superposición macroscópica dura un tiempo que se puede medir.
Los galardonados también observaron la cuantización de los niveles energéticos de la fase, similar a la que muestran los estados electrónicos en un átomo; solo unas pocas energías precisas son posibles. Para ello aplicaron radiación de microondas con una frecuencia ajustada para excitar el sistema a un nivel de energía más alto desde donde le resulta más fácil atravesar la barrera por efecto túnel.
El dispositivo construido por Martinis, Devoret y Clarke actúa como un “átomo macroscópico” al que podemos acceder con hilos de cobre y baterías eléctricas. Con esas toscas herramientas se pudieron observar dos efectos genuinamente cuánticos como son el efecto túnel y la cuantización de niveles energéticos.
Los circuitos cuánticos superconductores constituyen la plataforma que está más cerca de proporcionar los potentes ordenadores cuánticos
Invocando principios físicos similares, se puede también preparar un anillo superconductor en una superposición de estados con diferentes valores (e incluso diferente signo) de la corriente eléctrica. En ambos escenarios estamos comprobando directamente el comportamiento cuántico de variables macroscópicas.
El mensaje del hallazgo
¿Cuál es el mensaje científico-filosófico que podemos extraer de estos trabajos?
Como ya hemos dicho, la mecánica cuántica es poco intuitiva, pero hasta ahora hemos podido confinar todas sus “rarezas” a un mundo microscópico que nunca observamos directamente. La novedad del trabajo premiado es que muestra que las propiedades cuánticas anti intuitivas pueden también darse en variables físicas macroscópicas que involucran el comportamiento colectivo de miles de millones de partículas como los electrones. La conclusión es que la extensión espacial de una magnitud física no limita por sí misma su conducta cuántica. Más bien la clave del comportamiento cuántico está en el grado de aislamiento de esa variable física.
Lo que destruye las propiedades cuánticas sutiles de una variable macroscópica no es tanto su extensión espacial como la interacción con un entorno disipativo que suprime la coherencia de la onda cuántica convirtiéndola en mezcla estadística, efecto que ocurre más rápido cuanto mayor es la masa efectiva asociada a la variable. Así, no vemos un objeto macroscópico en dos lugares distintos a la vez porque su masa es grande y el acoplo a la luz (necesario para que podamos “ver” el objeto en un lugar concreto) así como la fricción del entorno son suficientes para destruir la posible superposición coherente.
Sin embargo, podemos estar contemplando de forma no invasiva un circuito superconductor de unos pocos milímetros de diámetro preparado en una superposición coherente de dos valores opuestos de la corriente eléctrica. La disipación relevante puede ser muy débil en ese sistema. En particular, la corriente de ese circuito apenas interacciona con la luz, que actuando como un entorno disipativo nos permite conocer la posición del circuito pero no el valor de su corriente eléctrica.
Los ordenadores cuánticos, más cerca
La conclusión final es que, por sí mismas, todas las variables físicas se comportan cuánticamente, incluso las que son de carácter macroscópico. Todo es cuántico mientras no se demuestre lo contrario. El problema (o la solución, según se mire, pues un mundo macroscópico indefinido podría ser agotador…) es que casi todas las variables macroscópicas son masivas y muy sensibles al entorno, de modo que fácilmente pierden los efectos de superposición cuántica.
Pero no siempre es así. El trabajo de Leggett, Martinis, Devoret y Clarke nos enseña que hay variables macroscópicas que exhiben propiedades genuinamente cuánticas. Es más, los trabajos posteriores de muchos físicos (entre ellos Devoret y Martinis) han demostrado que los circuitos superconductores pueden mostrar efectos cuánticos aún más sutiles tales como el entrelazamiento, por cuya observación en fotones se concedió el premio Nobel de Física de 2022 a Aspect, Clauser y Zeilinger. Curiosamente, una de las principales ventajas de estos sistemas superconductores es que, al ser macroscópicos, son más fáciles de manipular.
El resultado final de esta fascinante y aún inconclusa aventura intelectual es que los circuitos cuánticos superconductores constituyen en este momento la plataforma que está más cerca de proporcionar los potentes ordenadores cuánticos que, se espera, protagonizarán la segunda revolución cuántica.
Fernando Sols
Universidad Complutense de Madrid