Nobel 2025 z fizyki za mechanikę kwantową

Fizycy pracujący na amerykańskich uczelniach - John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis - zostali laureatami Nagrody Nobla z fizyki za odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowo-mechanicznego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym. Przyczyniło się ono do rozwoju kryptografii kwantowej i komputerów kwantowych.

Trudne do zrozumienia zjawiska kwantowe zachodzą zwykle na poziomie pojedynczych atomów. To na przykład superpozycja (cząstka może istnieć jednocześnie w wielu stanach/ wielu miejscach), dopóki nie zostanie zmierzona. Splątane kwantowo cząstki mogą być ze sobą powiązane w taki sposób, że stan jednej natychmiast wpływa na stan drugiej, niezależnie od odległości. Dzięki tunelowaniu kwantowemu cząstka może "przejść" przez barierę energetyczną, nawet jeśli nie ma wystarczającej energii, aby ją pokonać w tradycyjny sposób.

Jednym z fundamentalnych zagadnień w fizyce jest maksymalny rozmiar układu, który może zademonstrować efekty mechaniki kwantowej. Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla przeprowadzili eksperymenty z obwodem elektrycznym, w których zademonstrowali zarówno tunelowanie kwantowo-mechaniczne, jak i skwantyzowane poziomy energii w układzie makroskopowym - w tym wypadku na tyle dużym, że można go trzymać w dłoni.

Mechanika kwantowa pozwala cząstce na bezpośrednie przejście przez barierę, wykorzystując proces zwany tunelowaniem. Gdy zaangażowana jest duża liczba cząstek, efekty mechaniki kwantowej zazwyczaj stają się nieistotne. Eksperymenty laureatów wykazały, że właściwości mechaniki kwantowej można urzeczywistnić w skali makroskopowej.

W latach 1984 i 1985 John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis przeprowadzili serię eksperymentów z obwodem elektronicznym zbudowanym z nadprzewodników - elementów, które mogą przewodzić prąd bez oporu elektrycznego. W obwodzie elementy nadprzewodzące były oddzielone cienką warstwą materiału nieprzewodzącego, w układzie znanym jako złącze Josephsona.

Udoskonalając i mierząc wszystkie właściwości swojego obwodu, tegoroczni nobliści byli w stanie kontrolować i badać zjawiska zachodzące podczas przepuszczania przez niego prądu. Razem naładowane cząstki poruszające się przez nadprzewodnik tworzyły układ, który zachowywał się tak, jakby były pojedynczą cząstką wypełniającą cały obwód.

Ten makroskopowy, cząstkowy układ znajdował się początkowo w stanie, w którym prąd płynie bez żadnego napięcia. Układ był uwięziony w tym stanie, niczym za barierą, której nie może przekroczyć. W eksperymencie układ wykazał swój kwantowy charakter, uciekając ze stanu zerowego napięcia poprzez tunelowanie. Pojawienie się napięcia ujawniło zmieniony stan układu.

Laureaci mogli również wykazać, że układ zachowuje się w sposób przewidywany przez mechanikę kwantową - jest skwantyzowany, co oznacza, że pochłania lub emituje jedynie określone ilości energii.

- To wspaniałe, że możemy świętować to, jak stuletnia mechanika kwantowa nieustannie oferuje nowe niespodzianki. Jest to również niezwykle przydatne, ponieważ mechanika kwantowa stanowi fundament wszelkich technologii cyfrowych - powiedział Olle Eriksson, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki.

Jednym z przykładów zastosowań technologii kwantowej są tranzystory we wszechobecnych teraz mikroprocesorach komputerowych. Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki stworzyła możliwości rozwoju kolejnej generacji technologii kwantowej, w tym kryptografii kwantowej, komputerów kwantowych i czujników kwantowych.

Werdykt ogłosił we wtorek w Sztokholmie Komitet Noblowski. Nagrodą w wysokości 11 mln koron szwedzkich (ok. 4,2 mln zł) naukowcy podzielą się po równo.

Paweł Wernicki

***

Choć sama tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki dotyczy badań z lat 80. XX wieku, to dziś te zjawiska są wykorzystywane w informacji kwantowej. To pewnie był ten impuls do wyróżnienia - skomentował dla PAP prof. Jerzy Łuczka z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

We wtorek przyznano Nagrodę Nobla z fizyki. Otrzymali ją trzej naukowcy pracujący na amerykańskich uczelniach: John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis - za osiągnięcia w dziedzinie mechaniki kwantowej. Jak podał Komitet Noblowski, naukowcy zostali nagrodzeni "za odkrycie makroskopowego kwantowego tunelowania mechanicznego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym".

W ocenie prof. Jerzego Łuczki z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego, nazwiska i dokonania noblistów są dobrze znane fizykom. Dodał też, że choć wyróżnione badania są stare (jak podał, pierwsze publikacje na ten temat ukazały się w połowie lat 80. XX wieku), to dziś są wykorzystywane w informacji kwantowej i pewnie stąd impuls do wyróżnienia - ocenił.

Jak tłumaczył naukowiec, nagrodzeni Noblem fizycy zastosowali w zwykłych, znanych obwodach elektronicznych element nazywany złączem Josephsona, które było znane już w latach 60. XX wieku i za które też przyznano Nobla w latach 70.

- Złącze Josephsona składa się z dwóch nadprzewodników rozdzielonych izolatorem. Zgodnie z klasyczną teorią fizyki, jeżeli złącze jest rozdzielone izolatorem, to ładunki elektryczne nie mogą przechodzić z jednej strony na drugą stronę. Natomiast jeżeli uwzględni się efekty kwantowe i obliczenia metodą fizyki kwantowej, to okazuje się, że istnieje niezerowe prawdopodobieństwo, że ładunki z jednego nadprzewodnika jakby przeskoczą przez ten izolator - mówi się, że tunelują przez ten izolator - i wskoczą w drugi nadprzewodnik - opisał rozmówca PAP.

Jak dodał, można to sobie zobrazować poprzez wyobrażenie trasy przez góry. - Klasycznie jechalibyśmy drogami po górach, ale równie dobrze można przejechać tunelem przez te góry. W fizyce kwantowej tunele nie są jednak dosłownymi dziurami w izolatorze, ale ładunki - nazywane parą Coopera, składającą się z 2 elektronów - tunelują przez górę nie mając tuneli. Zjawisko tunelowania jest zjawiskiem czysto kwantowym. I ci nagrodzeni fizycy wzięli element składający się ze złącza Josephsona, czyli dwa nadprzewodniki rozdzielone izolatorem, i włożyli w klasyczny elektroniczny układ - i zaczęli badać właściwości tego układu. Okazało się, że można obserwować kwantowanie - opowiadał prof. Jerzy Łuczka.

Po latach okazało się, że złącze Josephsona może też być wykorzystywane w informacji kwantowej. - Wyobraźmy sobie, że mamy pierścień przecięty złączem Josephsona, gdzie prąd może płynąć w jedną stronę tego pierścienia albo w przeciwną. Umownie można powiedzieć, że prąd płynie w lewą lub prawą stronę. To oznacza, że ma dwa stany (prąd w lewo lub prąd w prawo), więc otrzymujemy kubit, czyli kwantową jednostkę informacji podstawowej. A kubity można zastosować do komputerów kwantowych, dlatego złącza Josephsona obecnie są - w różnych postaciach i w różnych konfiguracjach - stosowane w tej początkowej fazie budowy komputerów kwantowych - tłumaczył naukowiec.

Pytany, czy Nobel z fizyki dla dziedziny mechaniki kwantowej oznacza, że teraz jest to trend w tej dziedzinie, potwierdził, ale jednocześnie dodał, że "od chwili powstania mechaniki kwantowej, czyli 125 lat temu, świat fizyków cały czas jest zaskakiwany kolejnymi zagadkami".

Agnieszka Kliks-Pudlik

***

- Nobliści pokazali, jak zrobić obwody z nadprzewodników i połączyć je z efektem tunelowania. Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki została przyznana za rozwój elektroniki kwantowej - ocenił fizyk z Uniwersytetu Warszawskiego, prof. Rafał Demkowicz-Dobrzański.

We wtorek Komitet Noblowski ogłosił, że Nobla z fizyki otrzymają John Clarke, Michel Devoret oraz John Martinis. Wykazali oni, że tunelowanie kwantowe można zaobserwować w makroskali.

Fizyk dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański, prof. Uniwersytetu Warszawskiego, komentator Tygodnia Noblowskiego na UW, wyjaśnił dziennikarzom, że laureaci nagrodzeni zostali za stworzenie obwodów elektrycznych wykorzystujących zjawiska kwantowe, takie jak nadprzewodnictwo i tunelowanie kwantowe.

- To nagroda za elektronikę kwantową - za zbudowanie obwodów, które maksymalnie wykorzystują własności kwantowe materii - podkreślił naukowiec.

Dodał, że jednym z najważniejszych praktycznych zastosowań takich obwodów są tzw. magnetometry SQUID, czyli niezwykle precyzyjne mierniki pola magnetycznego, używane m.in. w medycynie i badaniach naukowych. Badacz wyjaśnił, że jest to możliwe, bo układy nadprzewodzące niesłychanie silnie reagują na pole magnetyczne.

Drugim obszarem zastosowań pomysłu noblistów są obliczenia kwantowe. Demkowicz-Dobrzański dodał, że jeden z laureatów, John Martinis, kieruje zespołem Google pracującym nad procesorami kwantowymi. - To imponujące osiągnięcia inżynieryjne, ale wciąż nie mamy jeszcze praktycznego komputera kwantowego - zaznaczył Demkowicz-Dobrzański.

Fizyk wyjaśnił, że podstawą badań nagrodzonych Noblem jest zjawisko nadprzewodnictwa, w którym prąd płynie bez żadnego oporu, co jest możliwe wyłącznie dzięki efektom kwantowym.

- To niesamowite: coś w skali mikro, czyli właśnie prawa kwantowe, (...) możemy zobaczyć w skali makro - w postaci prądu, który płynie zupełnie bez oporu elektrycznego - powiedział fizyk i ocenił, że samo zjawisko nadprzewodnictwa jest piękne. A nobliści jeszcze pokazali, jak je subtelnie wykorzystać, robiąc obwody z tych nadprzewodników z efektem tunelowania. W nadprzewodniku można więc wykonać przerwę, przez którą elektrony przechodzą w bardzo szczególny sposób.

Demkowicz-Dobrzański przypomniał, że rok 2025 to setna rocznica sformułowania mechaniki kwantowej i przyznanie nagrody doskonale wpisuje się w ten jubileusz.

Ludwika Tomala