O Prêmio Nobel de Física de 2025 foi concedido a três cientistas pela descoberta de um efeito que tem aplicações em dispositivos médicos e na computação quântica.
John Clarke, Michel Devoret e John Martinis realizaram uma série de experimentos há cerca de 40 anos que moldariam nossa compreensão das propriedades estranhas do mundo quântico. É um prêmio oportuno, já que 2025 é o 100º aniversário da formulação original da mecânica quântica.
No mundo microscópico, uma partícula pode, às vezes, atravessar uma barreira e aparecer do outro lado. Esse fenômeno é chamado de tunelamento quântico. Os experimentos dos laureados demonstraram o tunelamento no mundo macroscópico — em outras palavras, o mundo visível a olho nu. Eles mostraram que ele poderia ser observado em um circuito elétrico experimental.
O tunelamento quântico tem aplicações potenciais futuras na melhoria da memória de telefones celulares e tem sido importante para o desenvolvimento de “qubits”, que armazenam e processam informações em computadores quânticos. Ele também tem aplicações em dispositivos supercondutores, aqueles que conduzem eletricidade com muito pouca resistência.
John Clarke, nascido na Grã-Bretanha, é professor de Física na Universidade da Califórnia em Berkeley. Michel Devoret nasceu em Paris e é professor F. W. Beinecke de Física Aplicada na Universidade de Yale. John Martinis é professor de Física na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara.
O que é tunelamento quântico?
O tunelamento quântico é um fenômeno contraintuitivo em que as minúsculas partículas que compõem tudo o que podemos ver e tocar podem aparecer do outro lado de uma barreira sólida, que você esperaria que as impedisse de passar.
Desde que foi proposto pela primeira vez em 1927, o efeito tem sido observado em partículas muito pequenas e é responsável pela nossa explicação da decaimento radioativa de átomos grandes em átomos menores e em outra coisa chamada partícula alfa. Mas também foi previsto que poderíamos observar esse mesmo comportamento em coisas maiores. Chamamos isso de tunelamento quântico macroscópico.
Como podemos ver o tunelamento quântico?
A chave para observar esse tunelamento macroscópico é algo chamado “junção Josephson”, que é essencialmente um sofisticado fio partido. O fio não é um fio comum, como aqueles que você usa para carregar seu celular, mas sim um tipo especial de material conhecido como supercondutor. Um supercondutor não tem resistência elétrica, o que significa que uma corrente pode fluir através dele para sempre sem perder energia. Eles são usados, por exemplo, para criar campos magnéticos muito fortes em scanners de ressonância magnética (MRI).
Então, como isso nos ajuda a explicar esse estranho comportamento de tunelamento quântico? Se colocarmos dois fios supercondutores lado a lado, separados por um isolante, criamos nossa junção Josephson. Ela é normalmente fabricada em um único dispositivo que, com um conhecimento básico de eletricidade, não deveria conduzir eletricidade. No entanto, graças ao tunelamento quântico, podemos ver que a corrente pode fluir através da junção.
Os três vencedores do prêmio demonstraram o tunelamento quântico em um artigo publicado em 1985 (é comum haver intervalos tão longos entre a descoberta e a concessão dos Prêmios Nobel). Anteriormente, havia sido sugerido que o tunelamento quântico era causado por uma falha no isolante. Os pesquisadores começaram resfriando seu aparato experimental a uma fração de grau do zero absoluto, a temperatura mais baixa que pode ser alcançada.
O calor pode dar aos elétrons nos fios condutores energia suficiente para atravessar a barreira. Portanto, faria sentido que, quanto mais o dispositivo fosse resfriado, menos elétrons escapariam. No entanto, se o tunelamento quântico estivesse ocorrendo, deveria haver uma temperatura abaixo da qual o número de elétrons que escapam não deveria mais diminuir. Os três ganhadores do prêmio descobriram exatamente isso.
Por que isso é importante?
Na época, os três cientistas estavam tentando provar essa teoria em desenvolvimento sobre o tunelamento quântico macroscópico por meio de experimentos. Mesmo durante o anúncio do prêmio de 2025, Clarke minimizou a importância dessa descoberta, embora ela tenha sido fundamental em tantos avanços que estão na vanguarda da física quântica atual.
A computação quântica continua sendo uma das aplicações mais empolgantes prometidas para o futuro próximo e é fonte de investimentos significativos em todo o mundo. Isso traz muitas especulações sobre os riscos para nossas tecnologias de criptografia.
Em última análise, os tunelamento quântico também ajudará a resolver problemas que estão fora do alcance até mesmo dos maiores supercomputadores atuais. Os poucos computadores quânticos que existem hoje dependem do trabalho dos três ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 2025 e, sem dúvida, serão objeto de outro Prêmio Nobel de Física nas próximas décadas.
Já estamos explorando esses efeitos em outros dispositivos, como os dispositivos de interferência quântica supercondutores (SQuIDs), que são usados para medir pequenas variações nos campos magnéticos da Terra, permitindo-nos encontrar minerais abaixo da superfície. Os SQuIDs também têm utilidade na medicina, pois podem detectar os campos magnéticos extremamente fracos emitidos pelo cérebro. Essa técnica, conhecida como magnetoencefalografia (MEG), pode ser usada, por exemplo, para localizar a área específica do cérebro de onde emanam as crises epilépticas.
Não podemos prever se e quando teremos computadores quânticos em nossas casas ou mesmo em nossas mãos. Uma coisa é certa, porém: a velocidade do desenvolvimento dessa nova tecnologia se deve, em grande parte, aos vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2025, que demonstraram o tunelamento quântico macroscópico em circuitos elétricos.
