Escrito por MSc. Johana Niño Abella, Pionera del Ecosistema Blockchain 4.0 de CannabisCoin Community (CCC)
Como docente de las asignaturas de Circuitos AC y DC me impresiona el Premio Nobel de Física 2025, otorgado a los 3 físicos John Clarke, Michel H. Devoret y John M. Martinis por demostrar que los fenómenos cuánticos también pueden ocurrir en sistemas visibles, manipulables y construidos con nuestras propias manos: Circuitos Eléctricos (logrando documentar: cuantización de la energía -como si fuera un átomo-, así como el fenómeno del tunelamiento cuántico), siendo la manifestación del mundo cuántico en un circuito eléctrico de tamaño macroscópico. En este blog se muestran los aspectos e implicaciones mas relevantes del Nobel de Física 2025 para el diseño y análisis de circuitos AC y DC
La física cuántica se asocia con lo impredecible, con el gato de Schrödinger, el principio de incertidumbre de Heisenberg, los electrones “fantasma” y mas abarcando fronteras con estos hallazgos que trascienden al átomo, siendo la unión entre lo invisible y lo tangible, entre la física y la ingeniería, entre lo imposible y lo real, abriéndose una nueva era tecnológica.
1. Circuitos eléctricos exhibiendo fenómenos de la física cuántica
Tradicionalmente se ha separado el mundo en dos dominios acorde a la escala:
- El mundo clásico gobernado por las leyes de Newton, donde los objetos se comportan de manera predecible y continua: Macroescala.
- El mundo cuántico que está regido por la probabilidad, la dualidad y el misterio, donde la energía se comporta como paquetes discretos llamados “cuantos”: Microescala.
Esta frontera no es tan rígida como parece, se han revelado dos fenómenos estudiado y documentado en átomos, verificando también su ocurrencia en circuitos eléctricos:
- Tunelamiento cuántico macroscópico
- Cuantización de la energía en circuitos eléctricos (como ocurre en los átomos)
Gracias a estos fenómenos se ha desarrollado tecnología para aplicaciones en computación cuántica, sensores ultrasensibles y amplificadores que rozan el límite del ruido cuántico, interferómetros cuánticos tipo SQUID y más.
2. Tunelamiento cuántico macroscópico ¿Corrientes atravesando barreras de potencial imposibles?
En física clásica si una partícula no tiene suficiente energía para superar una barrera, simplemente se detiene, en el universo cuántico una partícula puede hacer “tunelamiento”, atravesando la barrera sin romperla, denominándose el fenómeno Efecto de Tunelamiento Cuántico.
Se logró observar este fenómeno en un circuito eléctrico visible al ojo humano, compuesto por elementos superconductores.
En circuitos superconductores las corrientes no son de electrones individuales, sino de pares de electrones (llamados pares de Cooper) que se comportan de manera colectiva.
Cuando se aplica una corriente el sistema puede “escapar” de un estado estable (como en la representación de una bolita que salta de un valle de energía a otro) no por sobrepasar la barrera, sino por atravesarla cuánticamente sin romperla.
Es histórico haber medido y comprobado experimentalmente el fenómeno del tunelamiento cuántico en sistemas macroscópicos como los circuitos eléctricos. Lo que antes era una teoría en laboratorios, ahora ocurre dentro de un circuito eléctrico hecho con materiales convencionales, siendo cada vez mas común el uso de superconductores tocando la física cuántica el mundo tangible.
3. Cuantización de la energía en circuitos: nacimiento de “átomos artificiales”
El segundo descubrimiento consistió en demostrar que la energía en un circuito eléctrico no fluye de forma continua (como se suele asumir), sino en niveles discretos igual que en un átomo.
Es decir que un circuito eléctrico puede comportarse como un “átomo artificial”, con estados cuánticos de energía bien definidos, cuando estos niveles se excitan o se relajan, emiten o absorben fotones de microondas, del mismo modo que un electrón emite o absorbe luz en un átomo real.
Esta idea parece sacada de la ciencia ficción, siendo la base de los qubits superconductores, los bloques fundamentales de la computación cuántica actual, sin estos experimentos los ordenadores cuánticos que hoy desarrollan empresas como IBM, Google o Rigetti simplemente no existirían.
4. Puente entre la corriente continua (DC) y la corriente alterna (AC) en el mundo cuántico
¿Qué implica este hallazgo desde la perspectiva de la ingeniería eléctrica clásica tanto en corriente continua (DC) como alterna (AC)?
Para los circuitos DC (corriente continua)
Hablar de corriente continua nos hace pensar en un flujo constante de electrones, como el que sale de una batería o alimenta un circuito digital.
En un dispositivo clásico la relación entre corriente y voltaje siguen las leyes de Ohm, las cuales son lineales y predecibles, pero en los circuitos superconductores la historia cambia, en lugar de una resistencia tenemos un elemento Josephson: dos superconductores separados por una delgada capa aislante, este componente puede transportar corriente sin generar voltaje hasta cierto límite (llamado corriente crítica).
A temperaturas bajas cuando el circuito “salta” de ese estado sin voltaje a uno con voltaje, el punto exacto del salto no es fijo, a veces ocurre antes, a veces después, siguiendo una distribución estadística, ¿Cuál es la causa? increíble que la partícula cuántica que representa la fase del circuito pueda escapar del pozo de potencial por efecto túnel.
En resumen:
- En circuitos DC la cuántica se manifiesta como fluctuaciones en la corriente crítica.
- Las transiciones entre estados del circuito ya no dependen solo de la temperatura o el ruido, sino de probabilidades cuánticas reales.
Esto ha permitido crear dispositivos de precisión extrema, como los estándares de voltaje Josephson, definiendo el voltio con exactitud cuántica.
Para los circuitos AC (corriente alterna)
La corriente alterna es el terreno donde la cuántica muestra su faceta más espectacular. Cuando aplicamos un voltaje DC sobre una juntura Josephson, esta produce una corriente alterna cuya frecuencia está directamente relacionada con el voltaje.
Es decir que un voltaje fijo genera una oscilación precisa en el tiempo (una frecuencia de microondas) y si a ese circuito se le añade una capacitancia, forma un oscilador cuántico.
Dentro de este sistema la energía puede almacenarse solo en niveles discretos (como los peldaños de una escalera).
Cuando los científicos midieron la respuesta del circuito a señales de microondas, encontraron transiciones entre esos niveles: el circuito absorbía energía solo cuando la frecuencia coincidía con la diferencia entre niveles, igual que un átomo, así nació el concepto de “circuito atómico” o “átomo artificial”.
En este régimen AC cuántico se basan hoy:
- Los qubits superconductores (transmon, flux qubit, phase qubit)
- Los amplificadores cuánticos que detectan señales con el mínimo ruido posible
- Los resonadores de microondas que leen y controlan estados cuánticos sin destruirlos
5. ¿Qué significa esto para la ingeniería eléctrica moderna?
Durante décadas los ingenieros separaron los problemas en dos mundos distintos:
- Circuitos clásicos analizados con Kirchhoff, resistencias, impedancias, fasores y simulaciones SPICE.
- Sistemas cuánticos, reservados a los laboratorios de física teórica.
Hoy en día un circuito eléctrico puede describirse con ecuaciones de Schrödinger tanto como con las leyes de Ohm.
Un ingeniero que diseñe dispositivos superconductores necesita manejar tanto las corrientes alternas como las transiciones cuánticas entre niveles de energía.
La diferencia está en la escala:
- A temperatura ambiente, los efectos cuánticos son insignificantes: los electrones están demasiado “calientes” para mantener coherencia.
- A temperaturas criogénicas (milikelvin) y en frecuencias de gigahercios (GHz), la energía de un fotón es comparable a las separaciones entre niveles cuánticos del circuito: Ahí es donde el mundo clásico se torna cuántico.
¿Diseñar circuitos con ecuaciones de Schrödinger?
Para diseñar un circuito cuántico no basta con calcular impedancias: hay que construir el Lagrangiano y el Hamiltoniano del sistema, identificando las variables conjugadas (flujo y carga) y resolviendo el espectro cuántico del dispositivo.
Ingenieros a cuantizar circuitos, así como los físicos cuantizan átomos. El voltaje, la corriente y la fase dejan de ser simples números, convirtiéndose en operadores cuánticos que describen probabilidades y superposiciones, naciendo la Electrónica Cuántica Superconductora.
6. Del laboratorio al mundo real
Aplicaciones que ya están transformando la tecnología:
- Computación cuántica. Los qubits superconductores son los más desarrollados y escalables, su funcionamiento depende directamente de la cuantización de energía y del control AC del circuito.
- Metrología de precisión. Las junturas Josephson permiten definir voltajes y frecuencias con exactitud absoluta, usando relaciones cuánticas universales.
- Sensores ultrasensibles: Los SQUIDs (dispositivos de interferencia cuántica superconductora) detectan campos magnéticos un millón de veces más débiles que los que perciben los instrumentos convencionales.
- Amplificadores cuánticos. Los JPAs (Josephson Parametric Amplifiers) permiten leer señales de un solo fotón con ruido cuántico mínimo, revolucionando la astronomía, la física de partículas y la electrónica de microondas.
Cada uno de estos dispositivos son en el fondo, un circuito eléctrico donde la cuántica se hace visible.
7. Un nuevo lenguaje para describir otra realidad
Durante siglos nuestra visión del mundo eléctrico era continua: las corrientes fluyen, los voltajes varían, las resistencias disipan, ahora sabemos que en el fondo todo está hecho de cuantos, incluso los circuitos que diseñamos en el laboratorio.
Los experimentos de Clarke, Devoret y Martinis nos recuerdan que la frontera entre lo clásico y lo cuántico no está en el tamaño, sino en la energía y la temperatura (medida macroscópica del estado de energía cinética interna), asumiendo el mundo cuántico como una herramienta para construir el futuro.
8. Universo cuántico presente en tu enchufe
La electricidad que mueve nuestros hogares y la energía que gobierna las partículas subatómicas obedecen las mismas leyes, solo que en diferentes escalas.
La cuántica ya no está confinada a los aceleradores de partículas, o los microscopios de fuerza atómica, o las partículas subatómicas, en fin, también está presente en los laboratorios de electrónica, en los chips superconductores y quizá muy pronto en alguno de nuestros dispositivos de uso cotidiano. Como dijo John Martinis en una conferencia: “El mayor logro no fue construir un circuito cuántico, fue convencer al mundo de que la cuántica puede vivir en un circuito.”
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