O tunelamento quântico é geralmente induzido pelas menores coisas que a física pode descrever: uma partícula alfa saindo de um núcleo, um elétron atravessando uma barreira, uma partícula aparecendo onde a intuição comum diz que não deveria estar. A linguagem faz com que pareça uma técnica pessoal no mundo subatômico.
O Prêmio Nobel de Física de 2025 reconhece algo mais estranho e mais útil. Em 1984 e 1985, John Clark, Michelle H. Devoret e John M. Martinis mostraram que um circuito elétrico supercondutor poderia exibir comportamento semelhante em uma escala grande o suficiente para ser segurado na mão. D Prêmio Nobel de Física 2025 Os três físicos foram premiados “pelo tunelamento macroscópico da mecânica quântica e quantificação de energia em um circuito elétrico”.
Frasear requer cuidado. O circuito desaparecia de um lado da mesa e nunca mais reaparecia do outro. O que é tunelado não é um laço de metal como objeto visível, mas um estado elétrico coletivo dentro de um circuito supercondutor. No experimento, bilhões de pares de elétrons no supercondutor comportaram-se juntos como um sistema quântico. Esse sistema poderia passar de um estado de tensão zero para um estado de tensão, embora, classicamente, não houvesse energia suficiente para atravessar a barreira entre eles.
É por isso que o teste foi importante. Não ampliou a mecânica quântica por meio de metáforas. Fez com que um circuito macroscópico se comportasse de uma forma que antes pertencia principalmente a átomos, núcleos e partículas individuais.
Um circuito se comporta como suficientemente frio
O experimento de Berkeley utilizou supercondutores, materiais que podem transportar corrente elétrica sem resistência quando resfriados a temperaturas extremamente baixas. Em um supercondutor, os elétrons formam pares de Cooper. Esses pares podem se mover de forma coerente e, nas condições certas, todo o estado supercondutor pode ser descrito por uma função de onda quântica compartilhada.
Clarke, Devoret e Martinis desenvolveram um circuito que consiste em uma junção Josephson: dois supercondutores separados por uma barreira isolante muito fina. A junção Josephson já é um dispositivo quântico profundo, pois pares de elétrons podem atravessar a barreira e gerar uma supercorrente. O trabalho premiado levanta uma questão mais ambiciosa. Pode uma variável coletiva inteira no circuito, e não apenas uma partícula individual, exibir comportamento quântico?
A variável relevante foi a diferença de fase na junção. Não é uma quantidade conhecida todos os dias, mas num circuito supercondutor pode agir como as coordenadas de uma partícula em movimento numa paisagem energética. No estado de tensão zero, essa partícula efetiva fica em um vale. A física clássica diz que ele deveria permanecer lá, a menos que receba energia suficiente para subir. A mecânica quântica permite outra possibilidade: pode criar túneis através de barreiras.
A imagem por trás desta nobre explicação, mas não deve ser interpretada muito literalmente. O circuito não era bolas através da parede. É um sistema elétrico gerado cujo estado coletivo segue a matemática das partículas quânticas presas atrás de barreiras energéticas.
Por que as datas de 1984 e 1985 são importantes?
Comitê Nobel Formação científica popular A Universidade da Califórnia, Berkeley, criou os testes originais em 1984 e 1985. Clark era professor lá. Devoret juntou-se ao seu grupo como pesquisador de pós-doutorado. Martinis era estudante de doutorado.
A equipe teve que resolver um problema experimental difícil. Se o circuito ultrapassar seu estado de tensão zero, como eles saberão que a causa é o tunelamento quântico em vez de calor, ruído elétrico ou algum erro na configuração? Em temperaturas muito baixas, a explicação térmica deve desaparecer. Mas o ruído do laboratório pode distorcer os resultados se não for cuidadosamente controlado.
Portanto o trabalho depende tanto da precisão quanto da imaginação. A equipe resfriou o circuito, controlou a corrente através da junção Josephson e mediu repetidamente quanto tempo o sistema permaneceu no estado de tensão zero antes de comutar. O tunelamento quântico é possível, portanto, uma única opção não será muito útil. Muitas medições repetidas podem revelar se a taxa de escape segue o padrão previsto pela mecânica quântica.
O resultado foi que o sistema escapou de uma forma consistente com o tunelamento quântico macroscópico. Comportou-se como se a fase coletiva da junção, representando um grande número de partículas agindo juntas, cruzasse uma barreira que não poderia ser cruzada classicamente.
A segunda parte foi a quantificação de energia
A citação do Nobel tem duas partes: tunelamento e energia quântica. A segunda parte é igualmente importante.
Os sistemas quânticos não assumem nenhum valor energético de sua escolha. O seu poder autorizado pode vir a diferentes níveis. Este conceito é familiar aos átomos, onde os elétrons ocupam estados de energia específicos. Clarke, Devoret e Martinis mostraram um efeito relacionado em seus circuitos supercondutores.
Eles ligaram o micro-ondas enquanto o circuito estava no estado de tensão zero. Em certas frequências de microondas, o sistema absorve energia e passa para um nível superior. Isso torna ainda mais provável a fuga do estado de tensão zero. O padrão mostra que o nível de energia no circuito é medido, e não uma propagação contínua de potencial.
Este foi o segundo sinal de que o circuito não era apenas um componente elétrico com comportamento estranho. Era um sistema elétrico macroscópico que apresentava uma estrutura quântica reconhecível.
Grande o suficiente para segurar, não é simples o suficiente para olhar
A frase “grande o suficiente para segurar na mão” pode facilmente ser enganosa. Isso não significa que o circuito pareça uma família de objetos exibindo comportamento quântico aos olhos gerais. As estruturas ativas estavam em um chip com cerca de um centímetro de tamanho, colocado dentro de um aparelho de baixa temperatura cuidadosamente controlado. Tensões de estado relevantes e estatísticas de comutação foram medidas, não observadas diretamente.
Ainda assim, a escala é importante. Demonstrações anteriores de tunelamento estavam confinadas a sistemas microscópicos. Aqui, o circuito envolve bilhões de pares de Cooper preenchendo o supercondutor do chip. Uma coordenação importante pertence ao sistema como um todo. É por isso que o resultado é descrito como tunelamento quântico macroscópico.
O experimento também ajuda a explicar por que a fronteira entre os mundos quântico e clássico não é uma simples linha de forma. Grandes sistemas normalmente perdem o comportamento quântico visível à medida que interagem com o ambiente, captam ruído e tornam-se efetivamente clássicos. Mas se um sistema for cuidadosamente construído, profundamente arrefecido e suficientemente isolado, o comportamento quântico colectivo pode persistir num circuito projetado.
Por que isso é importante décadas depois
Berkeley não estava planejando lançar um produto de computação quântica. Foi um teste de física para ver se a mecânica quântica poderia ser observada em uma variável de circuito coletivo. Mas a relevância posterior é clara. Qubits supercondutores, uma das principais abordagens da computação quântica, dependem de circuitos cujos níveis de energia podem ser tratados mecanicamente quântica. Um qubit requer dois estados quânticos controláveis, e os circuitos supercondutores usam junções Josephson para criar a não linearidade necessária.
Mais tarde, Martinis se tornou uma das principais figuras da computação quântica supercondutora. O trabalho de Devoret continuou a moldar a eletrodinâmica quântica de circuitos e dispositivos quânticos supercondutores. O grupo de Clarke em Berkeley já havia construído um longo histórico de eletrônica supercondutora e medições sensíveis. O reconhecimento do Nobel liga estas tecnologias posteriores a um passo conceptual anterior: mostrar que um circuito eléctrico pode ser um objecto quântico de uma forma mensurável.
Isto não significa que as experiências da década de 1980 forneceram diretamente as máquinas de hoje. O pedigree científico raramente é claro. Entre o circuito de Berkeley e o processador quântico moderno estão muitos outros avanços teóricos, experimentais, de materiais e opções de engenharia. Mas a experiência ajudou a validar uma ideia central: a de que a mecânica quântica pode ser concebida em circuitos eléctricos e não apenas encontrada em átomos isolados.
O resultado é um choque útil
A razão pela qual o tunelamento parece estranho é que os objetos do cotidiano não se comportam dessa maneira. Uma bola lançada contra uma parede não passa por ela. Um switch não liga sozinho sem um processo. A experiência clássica nos ensina que obstáculos são obstáculos.
A mecânica quântica é diferente. Descreve sistemas através de probabilidades, funções de onda e estados permitidos. Se a barreira for finita e o sistema for quântico, pode haver uma probabilidade diferente de zero de aparecer do outro lado. Com uma única partícula, esse conceito já é difícil. Com bilhões de pares de elétrons trabalhando juntos em um circuito supercondutor, torna-se um desafio mais óbvio à velha prática de separar o pequeno mundo quântico do mundo maior da engenharia.
O Prêmio Nobel de Física de 2025 homenageia esse desafio. Clarke, Devoret e Martinis não mostraram que tudo ao nosso redor é quântico como visto na vida cotidiana. Eles mostraram que, sob condições extremas, um circuito feito pelo homem pode ser empurrado para um regime onde os estados coletivos de muitas partículas ainda obedecem a regras quânticas.
Este é o poder silencioso do teste. O tunelamento quântico não era apenas uma curiosidade subatômica. No circuito supercondutor frio de um chip Berkeley, isso se torna uma transição elétrica que pode ser medida, repetida e, eventualmente, formulada na linguagem da tecnologia quântica moderna.
