En un contexto donde se habla de un futuro donde serán habituales la criptografía cuántica, las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos, tres pioneros de la física cuántica experimental recibieron el Nobel de Física 2025. Docentes del Balseiro explican el tema en esta nota que ya es tradicional cada año.
Fecha de publicación: 07/10/2025
La física cuántica, con sus extrañas cualidades, ocurre a nivel de pocos átomos pero a partir de unos experimentos realizados en la década de 1980 se descubrió que también podían ocurrir efectos cuánticos a una escala más grande: en chips con circuitos electrónicos con niveles de energía cuantizados que funcionan como “átomos artificiales”. Los tres científicos pioneros que realizaron ese descubrimiento recibieron el Premio Nobel de Física 2025.
Ellos son John Clarke, de la Universidad de California (Berkeley), Michel H. Devoret, de la Universidad de Yale, New Haven, CT y Universidad de California (Santa Bárbara) y John M. Martinis, de la Universidad de California (Santa Barbara). La Real Academia Sueca de Ciencias les otorgó el galardón “por el descubrimiento de la tunelización mecánica cuántica macroscópica y la cuantificación de la energía en un circuito eléctrico”.
Si fue un anuncio inesperado, de qué se tratan los aportes y qué se investiga en este campo en Argentina son algunas preguntas que tres profesores del Instituto Balseiro, Leandro Tosi, María José Sánchez y Daniel Domínguez, responden en esta nota que se hace cada año desde el Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro para comunicar el Nobel de Física. El Balseiro es una institución pública dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO). Los tres son investigadores del CONICET en el Centro Atómico Bariloche (CAB).
“La mecánica cuántica permite que una partícula atraviese una barrera mediante un proceso llamado tunelización. En cuanto intervienen grandes cantidades de partículas, los efectos de la mecánica cuántica suelen volverse insignificantes. Los experimentos de los galardonados demostraron que las propiedades de la mecánica cuántica pueden concretarse a escala macroscópica”, informaron desde la Fundación Nobel (ver recuadro “Un túnel cuántico”).
¿Sorpresa o no?
“Me sorprendió gratamente. Por ser este el año internacional de la Mecánica Cuántica, la expectativa era que el Nobel fuera otorgado en alguno de estos temas. Clarke, Martinis y Devoret desarrollaron experimentos en el área de circuitos cuánticos superconductores que verificaron la validez de la física cuántica a grandes escalas”, responde Daniel Domínguez, uno de los profesores del Instituto Balseiro que participan en esta nota, ante la consulta de si fue una sorpresa quiénes recibieron el Nobel de Física de este año. A principios de los 90 el físico argentino hizo su tesis de doctorado en circuitos superconductores y en esa época conoció a los galardonados en varias conferencias internacionales.
Por su parte, Leandro Tosi, también profesor del Balseiro, comenta que hace unos días colegas le consultaron sobre los candidatos al Nobel 2025 y que para él Michel Devoret era un gran candidato para este año. “Michel Devoret, John Clarke y John Martinis fueron pioneros en la demostración de la cuantización de los grados de libertad de un circuito superconductor. Idearon un experimento que les permitió observar la existencia de niveles de energía discretos en un circuito eléctrico y demostrar la manipulación cuántica coherente de esos grados de libertad”, dice Tosi, formado en el Balseiro y que en 2015-2019 realizó una estadía posdoctoral en el Grupo Quantronics (quantum electronics) de Francia que fue co-fundado por Michel Devoret.
Además Tosi destaca que ese trabajo dio nacimiento al campo de los circuitos cuánticos y con eso los qubits superconductores, la electrodinámica cuántica de circuitos y todas las tecnologías cuánticas basadas en circuitos cuánticos como sensores cuánticos, detectores, amplificadores cuánticos y, desde luego, simuladores y computadoras cuánticas. “Hoy en día las computadoras de Google, IBM, están basadas en este descubrimiento de Michel, John y John”, agrega el joven investigador del CONICET que lidera el Grupo de Circuitos Cuánticos en la División Dispositivos y Sensores del Centro Atómico Bariloche (CNEA), en la Gerencia de Física de la Gerencia de Área de Investigación, Desarrollo e Innovación (GAIDI/CNEA).
La profesora María José Sánchez, a su vez, comenta: “Me dio muchísima alegría. Es un reconocimiento a enormes físicos que realizaron los experimentos pioneros que impulsaron el área del control cuántico de dispositivos de estados sólidos basados en superconductores, los cuales se comportan como átomos artificiales”. Y explica que estos circuitos superconductores son la base de los qubits, unidades fundamentales para el almacenamiento y procesamiento de la información en el área de la computación cuántica.
Efecto túnel y cuantos de energía
La Fundación Nobel otorgó este galardón por “el descubrimiento de la tunelización mecánica cuántica macroscópica y la cuantificación de la energía en un circuito eléctrico”. Ante la consulta de qué se trata cada uno de estos fenómenos, Daniel Domínguez, físico teórico que trabaja en este campo en el Centro Atómico Bariloche, explica que el efecto túnel y la cuantización de la energía son dos fenómenos centrales de la física cuántica que ocurren a escala atómica. “El efecto túnel es que una partícula (un electrón) pueda aparecer al azar, con alguna probabilidad, del otro lado de una barrera. Es como si una persona o un objeto pudiera aparecer de golpe del otro lado de una pared”, dice.
“Y la cuantización de la energía es algo que sucede por ejemplo en un átomo, donde los electrones solo pueden tener algunos valores determinados de energía, en algunas órbitas en particular. A fines de los años 70, un físico teórico, Anthony Legget, hizo la pregunta si estos fenómenos que ocurren en los átomos, pueden observarse a ‘escala macroscópica’, es más, se preguntaba si la física cuántica seguiría siendo válida a gran escala”, cuenta Domínguez, Gerente de Física en GAIDI/CNEA. Y agrega que Legget propuso realizar experimentos en circuitos eléctricos con superconductores, donde estos fenómenos de tunelaje y de cuantización podrían ocurrir.
“En este caso, al tratarse de corrientes eléctricas en un circuito, el tunelaje y la cuantización serían de muchísimos electrones a la vez (si la física cuántica era válida a gran escala). Y mucho son como 10 a la 23 electrones, ¡un 1 seguido de 23 ceros!”, explica el investigador del CONICET y de la CNEA. Y agrega que había que hacerlo a temperaturas ultrabajas, a 0,02 grados por encima del cero absoluto, esto es a -273 grados centígrados y circuitos ultrapequeños, de décimas de micrón. “Era algo dificilísimo. Hubo varios intentos a principios de los 80. Clarke, Martinis y Devoret lograron hacerlo en 1984 de manera muy precisa, en experimentos de alta calidad, que demostraron claramente lo que había predicho Legget”, indica.
Su colega Leandro Tosi, físico experimental que trabaja en este campo también en el Centro Atómico Bariloche, explica que cuando se describe un circuito eléctrico los investigadores se preguntan por la corriente a través de un componente y la tensión entre dos puntos o la carga en un capacitor y el flujo magnético en un inductor. “Michel Devoret, John Martinis y John Clarke estaban pensando en la versión cuántica de dicha descripción, donde aparecen niveles de energía discretos; pero la pregunta era cómo acceder a estos niveles y probar la naturaleza cuántica de un circuito”, dice.
“Ahí la genialidad fue que utilizaron circuitos superconductores, que son muy coherentes, sin disipación, y junturas Josephson que permiten que los niveles sean como los de un átomo artificial. Ellos hicieron un experimento fundamental que demostró que el estado del circuito cuántico podría describirse con una función de onda macroscópica, en el sentido que el sistema es mucho mayor que un solo átomo”, comenta Tosi. Además, destaca que el aporte fue incluso mayor: también pudieron observar “el tuneleo de esa función de onda macroscópica entre un estado y otro, de la misma forma que de acuerdo a la mecánica cuántica un electrón puede atravesar una barrera de potencial”.
La profesora María José Sánchez observa, por su cuenta, que el diseño de los circuitos cuánticos superconductores ha evolucionado “muchísimo” en los últimos años. “Se han incluido nuevos componentes, es posible manipularlos con luz o señales de microondas, acoplarlos para armar procesadores y sensores cuánticos. Los trabajos de los laureados han sido la piedra fundacional para el desarrollo de toda esta área”.
Desde el Sur de Argentina
Cuando llega cada año la noticia de quién o quiénes recibieron el Premio Nobel de la fascinante ciencia de la física, otra consulta que se suele hacer a los profesores del Balseiro es qué vinculación hay con lo que se enseña e investiga en Bariloche. Daniel Domínguez comenta que junto con María José Sánchez, Leandro Tosi y varios estudiantes de grado y posgrado están trabajando en el estudio de circuitos cuánticos superconductores como base para la computación cuántica.
“Leandro Tosi está desarrollando la parte experimental, de fabricación y medición de los circuitos, María José y yo hacemos el modelado teórico. Ya en 2002 en mi caso daba cursos en las Escuelas Balseiro, y luego como materias optativas en el Instituto Balseiro sobre circuitos cuánticos superconductores. En la actualidad doy un curso que se llama ‘Mecánica cuántica en sistemas abiertos’, que da la base teórica para entender los procesos que ocurren en los circuitos cuánticos entre otras cosas”, comenta Domínguez, que es egresado y ex vicedirector de Ciencias del Instituto Balseiro.
Su colega Leandro Tosi destaca que en Bariloche, en el citado Grupo de Circuitos Cuánticos en el CAB, están desarrollando un procesador cuántico basado en qubits superconductores tipo fluxonium. “Lo importante, y lo que más me entusiasma, es que estamos construyendo un equipo de trabajo excelente con estudiantes muy motivados y de alto nivel que se han formado y se siguen formando para entender, modelar, diseñar, fabricar y medir circuitos cuánticos. Este premio es una alegría para el área y habla del impacto científico y tecnológico de los circuitos cuánticos”, opina el joven.
Tosi, además, coincide con sus colegas en que en los últimos 20 años esta área creció mucho. “Existen muchas plataformas para circuitos cuánticos, diferentes materiales, amplificadores cuánticos, procesadores cuánticos, es realmente algo emocionante. Nosotros por ejemplo estudiamos también circuitos cuánticos combinando superconductores con semiconductores, que es muy prometedor”.
“Los estudiantes que me conocen saben que soy muy optimista y que me alegra que no tengan que irse a otro país a estudiar esto. En Bariloche tenemos todo para hacer experimentos de punta en circuitos cuánticos, aprender, diseñar, programar, fabricar y medir. Me apena que haya una fuga de cerebros y ojalá se revierta en el tiempo. Hay que trabajar todos los días para hacer ciencia de calidad, competitiva”, agrega Tosi, que tuvo la oportunidad de conocer a los galardonados.
“Al que más conozco es a Michel, que es un investigador excelente, muy profundo en sus preguntas. Una de las enseñanzas más importantes que tomé de Michel y de Quantronics es que la buena ciencia surge de buenas preguntas. Una vez di una charla en un workshop en Yale y Michel se acercó y me tuvo dos horas con preguntas que en apariencia eran sencillas, pero me dí cuenta que yo no había entendido del todo mi propio experimento. Ese es Michel para mí”, dice Tosi.
Su colega María José Sánchez destaca que en los últimos años, junto con Tosi han impulsado el dictado del curso de circuitos cuánticos en el Instituto Balseiro. “En la actualidad es enorme el interés que este curso despierta en los estudiantes, seguramente potenciado por las excelentes cualidades docentes de Leandro. Es un reconocimiento muy gratificante que nuestras líneas de trabajo e investigación estén tan cercanas al Nobel del 2025”, dice la profesora, que está a cargo del curso de mecánica cuántica, en el que Leandro Tosi también es docente.
«Enormes físicos»
“Justamente hoy les contábamos a nuestros estudiantes del curso de cuántica cómo los conceptos fundamentales de tunelamiento cuántico y cuantización de circuitos eléctricos simples, que introdujimos en el curso, constituyen las base de los experimentos que condujeron al premio Nobel en Física de este año”, dice. La física teórica además comenta que conoció a Michel Devoret en 1999, cuando fue profesor invitado en la “Primera Escuela Giambiagi” que ayudó a organizar desde el Departamento de Física de la UBA. “A lo largo de todos estos años he podido interactuar tanto con él como con Martinis en conferencias y workshops. Son enormes físicos, en particular Michel es super profundo y posee una lucidez conceptual sorprendente”.
“En definitiva, lo que Clarke, Martinis y Devoret lograron permitió tener la base para construir circuitos electrónicos que emulen lo que ocurre en el átomo. De hecho hoy día se pueden fabricar ‘átomos artificiales’ con estos circuitos. Y con ellos se pueden construir procesadores para computadoras cuánticas”, explica Daniel Domínguez.
Leandro Tosi remarca algunos puntos que considera crucial reconocer por su importancia: “Es necesario hacer crecer esta área de investigación en Bariloche debido al impacto científico y tecnológico de los circuitos cuánticos; a la par de no desarmar los equipos de trabajo por la fuga de cerebros, teniendo en cuenta que los estudiantes del Grupo de Circuitos Cuánticos que son el alma del proyecto. Además, es fundamental contar con un financiamiento sostenido para el desarrollo experimental en el área de tecnologías cuánticas”.
“Sumado a lo que comenta Leandro, quisiera remarcar que junto con Daniel Domínguez pertenecemos al grupo de Teoría de la Materia Condensada, y desde hace más de 15 años venimos sostenidamente haciendo investigación y formando estudiantes en estos temas. El regreso de Leandro (N. de la R.: Tosi) le ha dado un impulso importantísimo al área y la posibilidad de la implementación experimental de los circuitos cuánticos es el mayor desafío por delante”, reflexiona María José Sánchez.
“En estos momentos de tanta opresión para la ciencia argentina, es muy reconfortante sentir que nuestros temas de trabajo son de impacto y reconocidos mundialmente. Sería importantísimo poder retener a nuestros estudiantes y no destruir lo que con tanto esfuerzo se está intentando consolidar”, agrega Sánchez.
Desde la Fundación Nobel informaron que así como los transistores de los microchips informáticos -que se utilizan en computadoras personales, celulares, televisores y electrodomésticos varios- son un ejemplo de la tecnología cuántica ya instaurada, los aportes de Clarke, Devoret y Martini suman oportunidades para desarrollar la próxima generación de tecnología cuántica, incluyendo “la criptografía cuántica, las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos”. O sea, un mundo que traerá más sorpresas.
Por Laura García Oviedo para el Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro
RECUADRO
Un túnel cuántico
Los experimentos realizados por los tres científicos galardonados en 1984 y 1985 tuvieron como protagonistas un circuito electrónico construido con componentes superconductores, esto es, que conducen corriente sin resistencia eléctrica, separados por una capa de material no conductor, esto es, de voltaje cero. Lograron medir que la corriente que ellos aplicaban podía pasar por la capa, en un efecto que se llama “tunelización mecánica cuántica”, y que se movían a través de todo el circuito.
“En el experimento, el sistema demuestra su carácter cuántico al lograr escapar del estado de voltaje cero mediante un efecto túnel. El cambio de estado del sistema se detecta mediante la aparición de un voltaje (….) Los galardonados también pudieron demostrar que el sistema se comporta tal como lo predice la mecánica cuántica: está cuantizado, lo que significa que sólo absorbe o emite cantidades específicas de energía”, informa el comunicado de prensa de la Fundación Nobel. Para más información: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/press-release/ / https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/
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Por Laura García Oviedo /Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro
Crédito foto: Marion Prieto / Prensa Instituto Balseiro
Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 09/10/2024
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