El Nobel de Física de este año confirma un salto histórico: los fenómenos cuánticos ya se observan en materia visible y abren una nueva era tecnológica.

Estamos a punto de cerrar el año, de cumplirse un cuarto del siglo XXI, y podemos asegurar que este año pasará a la historia como aquel en el que el micromundo de los átomos, las partículas y la luz ha alcanzado una importante meta. Prueba de ello es la concesión del Premio Nobel de Física a tres científicos que han puesto un pie en el nuevo espacio de la macrocuántica, es decir, de la física cuántica aplicada a objetos materiales visibles constituidos por decenas de miles de átomos, demostrando que la materia multiatómica posee las mismas maravillosas propiedades que los fotones y los electrones en lo que a su comportamiento se refiere.

Como acabo de escribir, 2025 es el Año de la Cuántica promovido por la UNESCO, y no es casual —¿o sí?— que el Premio Nobel de Física 2025 haya sido otorgado a John Clarke (Reino Unido/EE. UU.), Michel H. Devoret (Francia/EE. UU.) y John M. Martinis (EE. UU.) por sus descubrimientos pioneros sobre el efecto túnel cuántico macroscópico y la cuantización de la energía en circuitos eléctricos, sentando las bases para tecnologías susceptibles de ser implantadas en los ordenadores y en la criptografía cuántica, entre otras muchas aplicaciones.

El efecto túnel

Este es el nombre que recibe uno de los fenómenos cuánticos más conocidos y utilizados en el desarrollo de la tecnología que actualmente empleamos en dispositivos electrónicos, siendo la base de los llamados semiconductores, tales como los transistores, la optoelectrónica (diodos LED) y los circuitos integrados. Básicamente se trata de controlar el movimiento de los electrones en el seno de una unión de dos semiconductores formados por obleas de silicio dopadas con metales como el germanio, pudiendo regular el paso a través de esta unión mediante el establecimiento de una barrera cuántica.

Esto ya lo estudiábamos cuando yo era estudiante de ingeniería allá por los años setenta, y manejábamos semiconductores como el silicio o el germanio dopados (mezclados con impurezas) con boro, indio o galio (metales del grupo III de la tabla periódica) o antimonio, arsénico o fósforo (grupo V). Estos dispositivos se pueden comprar en cualquier tienda de componentes electrónicos y permiten realizar montajes increíbles que funcionan y resuelven muchos problemas que, para ustedes, pasan desapercibidos, pero que son la base del desarrollo de la microelectrónica y la computación. Como digo, estos dispositivos ya los estudiábamos en mi época de estudiante de ingeniería y construíamos circuitos con ellos en el laboratorio.

Bien, basándose en los fenómenos de tunelización cuántica en los semiconductores, nuestros recientemente premiados físicos han investigado y demostrado que lo que en los semiconductores se produce a nivel de partículas (electrones, fotones, etc.) ahora puede trasladarse al mundo macroscópico; es decir, no solo a una partícula, sino a conjuntos de miles de átomos, a materia tangible y observable que podemos manejar.

Tunelización cuántica a bajas temperaturas

Entramos en los hechos. Los investigadores de nuestro flamante Nobel trataron de demostrar que un fenómeno cuántico, como es el bien conocido efecto túnel, puede reproducirse en un conjunto de átomos. ¿Cómo? Hay que empezar diciendo que los átomos no se comportan igual a temperaturas ambientales que a temperaturas ultrabajas, próximas al llamado cero absoluto (0 K = −273 °C). A bajas temperaturas los átomos son más fáciles de “domesticar”.

En un conductor hay electrones libres cuando circula una corriente eléctrica, pero el físico Cooper (1930–2024, EE. UU.) descubrió que estos electrones, a pesar de tener la misma carga negativa, se unen en pares llamados “pares de Cooper”, que, dicho sea de paso, son los responsables de los fenómenos de superconductividad aplicables a procesos electromagnéticos de alto rendimiento (un ejemplo son las bobinas de levitación magnética en los actuales trenes como el Shanghái Maglev).

Los investigadores tomaron un circuito eléctrico, lo enfriaron a −273 °C y lo aislaron de los efectos de campos magnéticos, luz, radiaciones, etc. Allí, en ese espacio cuántico en completo “silencio electromagnético”, los pares de electrones de Cooper se pusieron a trabajar y se constató que se establecía un fenómeno de superconductividad.

El paso siguiente del experimento consistió en partir en dos el cable —ya en esos momentos superconductor— y colocar en medio una unión que crease una especie de barrera, una unión Josephson, para impedir el paso de los electrones de un trozo al otro del conductor; es decir, crear una trampa cuántica para que los electrones quedaran atrapados. Pero he aquí lo fascinante: los pares de electrones de Cooper empezaron a atravesar la barrera y a pasar de una a otra parte del conductor de acuerdo con las leyes de la física cuántica.

Con este fenómeno de tunelización cuántica aplicado a un conductor eléctrico se acaba de abrir la puerta a la aplicación del efecto túnel no a una sola partícula, sino a una cantidad medible y cuantificable de materia constituida por decenas de miles de átomos de un metal sometido a ultra baja temperatura.

¿Para qué sirve el descubrimiento de los físicos premiados?

Hasta ahora, en el laboratorio y en las aplicaciones tecnológicas se trabajaba con los fenómenos cuánticos a nivel microscópico, manejando partículas como electrones o fotones. Pero ahora ha quedado demostrado que la cuántica puede aplicarse en el mundo macroscópico. Lo que para Bohr y Planck era un sueño de partículas que hacían cosas raras y se comportaban en desacuerdo con la mecánica newtoniana clásica, ahora no solo se sabe que era cierto, sino que los fenómenos observados pueden trasladarse al mundo macroscópico. Hablamos de fenómenos como la tunelización, pero también del entrelazamiento cuántico, la superposición de estados, etc.

La aplicación de estas investigaciones repercutirá directamente en el desarrollo de los computadores cuánticos, los sensores cuánticos, las comunicaciones y la encriptación de datos, el estudio y desarrollo de la biología cuántica, etc. Todo ello será útil para el diseño de fármacos, la fusión nuclear, los motores cuánticos, nuevas generaciones de memorias Flash y SSD, nanotecnología y microscopía cuántica.

Confieso mi alegría por poder ver estas cosas en mi existencia. He tenido la suerte de asistir a la gigantesca transformación de la ciencia y la tecnología en los años que llevo de vida.

Me gustaría mucho que los jóvenes lectores de este artículo, si los hubiera, se entusiasmaran como lo estoy yo ante este panorama tan prometedor para la ciencia. Les pido a todos que miren el futuro con optimismo, que dejen de ser catastrofistas y escépticos. La ciencia es un camino seguro para llegar a la consecución de los sueños. Que no opinen con ideas contaminadas por quienes opinan sin saber. A la verdad se llega siempre a través de la razón y del conocimiento de las cosas.

Ojalá nos veamos en otra ocasión para seguir hablando de cuántica. Quizá pronto tenga la oportunidad de impartir una conferencia sobre el tema en Tomelloso.

Feliz Navidad para todos, y especialmente para quienes aman la ciencia.

José Manuel Ruiz Gutiérrez

Ingeniero de Telecomunicaciones

Catedrático de tecnología