La mecánica cuántica describe propiedades cuando nos movemos en una escala que involucra partículas individuales. En física cuántica estos fenómenos se denominan microscópicos, aunque la escala es mucho menor que la de sistemas que constan de un gran número de partículas, visibles con un microscopio óptico.

Esto contrasta con los fenómenos macroscópicos, referidos a sistemas integrados por un gran número de partículas. Por ejemplo, en una pelota hay una cantidad astronómica de moléculas y no muestra efectos mecánicos cuánticos. La pelota rebotará si se lanza contra una pared. Sin embargo, una sola partícula puede pasar directamente a través de una barrera equivalente en su mundo microscópico y aparecerá en el otro lado. Este fenómeno mecánico cuántico se llama tunnelling.

El Premio Nobel de Física de este año premia los experimentos que demostraron cómo observar el efecto túnel cuántico a escala macroscópica.

En 1984 y 1985, John Clarke, Michel Devoret y John Martinis realizaron una serie de experimentos en la Universidad de California, Berkeley. Construyeron un circuito eléctrico con dos superconductores (componentes que pueden conducir la corriente eléctrica sin resistencia), los separaron con una fina capa de material aislante y demostraron que podían controlar e investigar un fenómeno en el que todas las partículas cargadas en el superconductor se comportan al unísono, como si fueran una sola partícula que llena todo el circuito.

Este sistema, similar a partículas, está atrapado en un estado en el que la corriente fluye sin ningún voltaje, un estado del que no tiene suficiente energía para escapar. En el experimento, el sistema muestra su carácter cuántico usando tunneling para escapar del estado de voltaje cero, generando un voltaje eléctrico. Los galardonados también pudieron demostrar que el sistema está cuantizado, lo que significa que solo absorbe o emite energía en forma de paquetes o cuantos.

La capacidad de las partículas individuales para hacer tunneling es bien conocida. En 1928, el físico George Gamow se dio cuenta de que el efecto túnel es la razón por la que algunos núcleos atómicos pesados tienden a desintegrarse de una manera particular. La interacción entre las fuerzas en el núcleo crea una barrera a su alrededor, reteniendo las partículas que contiene. Sin embargo, a pesar de esto, una pequeña parte del núcleo atómico a veces puede separarse, y saltarse la barrera, dejando atrás un núcleo que se ha transformado en otro elemento. Sin túneles, este tipo de desintegración nuclear no podría ocurrir.

En un material conductor ordinario, la corriente fluye porque hay electrones que son libres de moverse. En algunos materiales, los electrones que circulan pueden hacerlo sin ninguna resistencia, decimos que el material es un superconductor y los electrones se agrupan por pares, Son los llamados “pares de Cooper”, en honor a Leon Cooper quien, junto con John Bardeen y Robert Schrieffer, proporcionó una descripción detallada de cómo funcionan los superconductores (Premio Nobel de Física 1972).

Los pares de Cooper se comportan de manera completamente diferente a los electrones ordinarios. Los electrones no tienden a juntarse: dos electrones no pueden estar en el mismo lugar si tienen las mismas propiedades.Sin embargo, cuando los electrones de un superconductor se unen como pares de Cooper pueden ser exactamente iguales. Esto significa que los pares en un superconductor pueden describirse como una sola unidad, un sistema mecánico cuántico. En el lenguaje de la mecánica cuántica, se describen con una única función de onda. Esta función de onda describe la probabilidad de observar el sistema en un estado dado y con propiedades dadas.  Las propiedades de esta función de onda desempeñan el papel protagonista en el experimento.

Si dos superconductores se unen con una delgada barrera aislante entre ellos, se crea una unión Josephson, llamada así en honor de Brian Josephson, quien realizó los cálculos mecánicos cuánticos para la unión. Descubrió que cuando se consideran las funciones de onda a cada lado de la unión  surgen fenómenos interesantes. La unión de Josephson encontró rápidamente áreas de aplicación: en mediciones precisas de constantes físicas fundamentales y campos magnéticos. También proporcionó herramientas para explorar los fundamentos de la física cuántica de una manera nueva.

John Clarke, profesor en Berkeley, creó su grupo de investigación y se especializó en explorar superconductores y la unión Josephson.

A mediados de la década de 1980, Michel Devoret se había unido al grupo de investigación de John Clarke. en el grupo también estaba John Martinis. Juntos, asumieron el desafío de demostrar el efecto túnel cuántico macroscópico.

Para medir los fenómenos cuánticos, alimentaron una corriente débil en la unión Josephson y midieron el voltaje, que está relacionado con la resistencia eléctrica en el circuito. El voltaje fue inicialmente cero, como se esperaba. Esto se debe a que la función de onda del sistema está encerrada en un estado que no permite que surja un voltaje. Luego estudiaron cuánto tiempo tardó el sistema en salir de este estado, originando un voltaje. Debido a que la mecánica cuántica implica un elemento de azar, tomaron numerosas mediciones de las que pudieron calcular la duración del estado de voltaje cero. Un procedimiento similar al usado en las mediciones de las vidas medias de los núcleos atómicos.