Nagroda Nobla 2025 z fizyki: John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis

Kiedy na początku XX w. fizycy zaczęli odkrywać prawa mechaniki kwantowej, płynące z niej wnioski były dla wielu niezrozumiałe i nie do zaakceptowania. Były to bowiem zjawiska trudne do wyobrażenia, nieintuicyjne i niepodobne do niczego, co było znane z fizyki klasycznej. Próby przełożenia zjawisk kwantowych na pojmowalną skalę owocowały kuriozalnymi eksperymentami myślowymi (jak choćby słynny Kot Schrödingera). Dlatego tak znaczące były badania tegorocznych noblistów.

W całej tej mgle wymykających się zdrowemu rozsądkowi obserwacji na pojedynczych cząstkach, odnaleźli oni nową drogę. Było to przełomowe osiągnięcie, ponieważ wykazało, że zjawiska kwantowe da się zaobserwować i wykorzystać w funkcjonalnym systemie i że działanie takiego systemu da się wiarygodnie opisać znanymi równaniami mechaniki kwantowej.

W opisie Nagrody pada termin „tunelowanie”. To znane od prawie 100 lat zjawisko polega na przejściu cząstki przez jakąś barierę potencjału. Cząstka powinna mieć odpowiednio dużą energię, aby móc taką barierę pokonać i wydostać się ze stanu, w jakim się znajduje – graficznie pokazuje się zwykle ten problem za pomocą schematu kulki i ściany. Kulka nie może przeskoczyć przez ścianę, chyba że da się jej odpowiednią ilość energii. Tunelowanie kwantowe dopuszcza jednak niezerowe prawdopodobieństwo, że taka „kulka” zamiast przeskakiwać przez „ścianę” (pokonać barierę dzięki energii) może przez nią „przeniknąć”.

Wielu fizyków głowiło się nad tym, w jak dużej skali da się zaobserwować tunelowanie. W połowie lat 80. na University of California profesor John Clarke, dr Michael H. Devoret i doktorant John Martinis postanowili się dowiedzieć, czy makroskopowe jest w ogóle możliwe.

Skupili się na nadprzewodnictwie. Jest to zjawisko zachodzące w bardzo niskich temperaturach. Polega na tym, że elektrony poruszają się w parach (tzw. Pary Coopera), a opór elektryczny materiału spada do zera. Dwa nadprzewodniki oddzielone warstwą izolatora tworzą z kolei złącze Josephsona. Badacze wprowadzali do odizolowanego złącza Josephsona słaby prąd i mierzyli napięcie. Dopóki napięcie wynosiło zero, dowodziło to, że elektrony pozostają uwięzione w stanie, który nie pozwalał funkcji falowej elektronu na powstanie napięcia. Równania mechaniki kwantowej pozwalają jednak przewidywać – z pewnym prawdopodobieństwem – ile czasu zajmie układowi „tunelowanie” z tego stanu tak, aby powstało napięcie. Badacze wprowadzali też do układu mikrofale, aby sprawdzić, jak wpłynie to na statystykę ich eksperymentu i zdolność układu do tunelowania.

Obserwacje okazały się zgodne z przewidywaniami mechaniki kwantowej. Pary Coopera w nadprzewodniku zachowywały się jak jedna olbrzymia cząstka z jedną wspólną funkcją falową. Z kolei absorpcja mikrofal odbywała się tylko dla określonych wartości energii (tylko ściśle określone wartości energii, m.in. kwanty, mogą zostać przyjęte, to jedno z najstarszych założeń mechaniki kwantowej). Stworzyli makroskopowy układ kwantowy, który matematycznie dało się traktować jak sztuczny atom w dużej skali i wykorzystać w projektowaniu układów elektronicznych. Były to podwaliny, na których później budowano pierwsze eksperymenty z komputerami kwantowymi i kubitami (zresztą również prowadzone przez Martinisa); przełom nie tylko dla zrozumienia fizyki, ale również dla rozwoju technologii.

Przykładem technologii kwantowych stosowanych już dziś na szeroką skalę są tranzystory, cały czas obserwujemy też rozwój komputerów kwantowych, kryptografii kwantowej i sensorów kwantowych. I kto wie, czego jeszcze.

.

.

.