Nobelova cena za fyziku 2025: Kvantová mechanika od mikro k makro

Přesně 100 let po objevu kvantové mechaniky byla Nobelova cena za fyziku za rok 2025 oceněna třemi americkými vědci, kteří prokázali, že podivné kvantové jevy se mohou vyskytovat ve velkém měřítku, a otevřeli tak novou éru kvantové technologie.

Vědci John Clarke, Michel H. Devoret a John M. Martinis byli 7. října na tiskové konferenci ve Stockholmu vyhlášeni laureáty letošní Nobelovy ceny za fyziku, kterou udělila Švédská královská akademie věd. Foto: REUTERS

V roce 1925 fyzici Heisenberg, Schrödinger a Dirac objevili kvantovou mechaniku – zvláštní objev, který změnil svět .

Přesně o 100 let později byla Nobelova cena za fyziku za rok 2025 udělena třem americkým fyzikům, kteří přinesli kvantový tunelovací efekt – zvláštní mikroskopický kvantový jev – do makroskopického světa a otevřeli tak mnoho průlomových aplikací.

Je skvělé, že můžeme oslavovat, jak staletí stará kvantová mechanika přináší stále nová překvapení. Je to také neuvěřitelně užitečné, protože kvantová mechanika je základem veškeré digitální technologie .

Olle Eriksson (předseda Nobelova výboru pro fyziku, hovoří)

Průlomový objev tunelového efektu

Nobelovu cenu za fyziku za rok 2025 získali tři američtí fyzici, John Clarke, Michel H. Devoret a John M. Martinis, za „objev makroskopických kvantových tunelových efektů a kvantizace energie v elektrických obvodech“, uvádí se v oznámení Nobelova výboru.

Letošní cena oceňuje sérii experimentů, které provedli v letech 1984 a 1985 na supravodivých obvodech a které demonstrují, že „tunelování“ – jev průchodu částic bariérami, ke kterému může docházet pouze v kvantové mechanice – může probíhat v mnohem větším měřítku, než se dříve předpokládalo.

Profesor John Clarke, který získal doktorát na Cambridgeské univerzitě v roce 1968, je profesorem fyziky na Kalifornské univerzitě v Berkeley od roku 1969. V současné době je emeritním profesorem na postgraduální škole této univerzity.

Michel H. Devoret, narozený v Paříži, kde získal doktorát, je emeritním profesorem aplikované fyziky na Yaleově kvantovém institutu Yaleovy univerzity.

John M. Martinis má doktorát z Kalifornské univerzity v Berkeley. Po výuce na univerzitě naposledy pracoval ve skupině kvantové umělé inteligence společnosti Google.

V polovině 80. let se pan Devoret připojil k výzkumné skupině pana Clarka jako postdoktorandský výzkumník spolu se svým doktorandem Martinisem. Společně se pustili do demonstrace kvantového tunelovacího efektu na makroskopické úrovni.

Ve svých experimentech tito tři vědci sestavili obvody ze supravodičů, které dokázaly vést elektrický proud bez odporu. Úpravou a měřením vlastností obvodu mohli řídit jevy, které se vyskytovaly. Nabité částice pohybující se supravodičem vytvářely systém, který se choval, jako by byly jedinou částicí vyplňující celý obvod.

Tento systém částic je zpočátku ve stavu, kdy proud protéká bez napětí, jako by byl blokován nepřekonatelnou bariérou.

V experimentu systém prokázal kvantové vlastnosti tím, že se z tohoto stavu dostal prostřednictvím kvantového tunelovacího efektu. Tři vědci také prokázali, že systém je kvantovaný, což znamená, že absorbuje nebo vyzařuje pouze specifické množství energie.

Ilustrace kvantově mechanického tunelovacího efektu: Hoďte míč na zeď a ten se odrazí zpět. Ale hoďte mikroskopickou částici a ta proletí zdí. Tento efekt obvykle u velké skupiny částic slabne, a proto v každodenním životě nikdy nevidíme někoho procházet zdí - Foto: JOHAN JARNESTAD/Švédská akademie věd

Dláždění cesty pro kvantovou technologii

Experiment má důležité důsledky pro pochopení kvantové mechaniky. Dříve makroskopické kvantově mechanické efekty zahrnovaly mnoho mikroskopických částic kombinovaných za vzniku jevů, jako jsou lasery, supravodiče a supratekutiny. Experimenty tří letošních fyziků, kteří získali Nobelovu cenu, však vedly k přímému makroskopickému efektu.

Tento typ makroskopického kvantového stavu otevírá nový potenciál pro experimenty, které využívají jevy ovládající mikroskopický svět. Lze jej považovat za jakýsi umělý atom ve velkém měřítku, používaný k simulaci a napomáhající studiu jiných kvantových systémů.

Důležitou aplikací byl kvantový počítač, který Martinis později implementoval. Použil přesně stejnou kvantizaci energie, jakou demonstroval on a jeho dva spoludržitelé Nobelovy ceny, a to pomocí obvodů s kvantovanými stavy jako kvantovými bity nebo qubity, kde nejnižší energetický stav je 0 a vyšší 1.

Supravodivé obvody jsou jednou z technik zkoumaných v rámci snahy o konstrukci kvantových počítačů. Martinis byl v letech 2014 až 2020 vedoucím výzkumné skupiny pro kvantové výpočty společnosti Google.

Pan Clarke uvedl, že jejich výzkum pomohl vydláždit cestu technologickému pokroku, jako je například zrod mobilních telefonů. Nobelův výbor rovněž potvrdil: „V dnešní době neexistuje žádná pokročilá technologie, která by nebyla založena na kvantové mechanice, včetně: mobilních telefonů, fotoaparátů... a optických kabelů.“

Když se fyzika a chemie setkají v kvantovém „tunelu“

Nobelova cena za fyziku za rok 2025 byla udělena třem vědcům za jejich objevy v kvantové mechanice před 40 lety. Tento výsledek není příliš překvapivý, protože UNESCO zvolilo rok 2025 Mezinárodním rokem kvantové vědy a techniky.

Nobelův výbor prohlásil: „Kvantová mechanika je základem veškeré digitální technologie… Jejich experimenty položily základy pro nové technologické pokroky založené na kvantových principech.“

Tito tři fyzici objevili tunelový jev a určili energetické skoky v elektrických obvodech. Tunelový jev se brzy stal ústředním konceptem pro vysvětlení mnoha chemických reakcí.

Lze si to jednoduše představit jako průjezd průsmykem Hai Van: reaktanty musí často „vylézt průsmykem“ s velmi vysokou energií, ale někdy „procházejí tunelem“, čímž překonávají energetickou bariéru rychleji, aby vytvořily reakci.

Tunelování se vyučuje na univerzitní úrovni v učebnicích chemické kinetiky a při výpočtu reakčních rychlostních konstant se modeluje pomocí kvantových metod. Fyzika a chemie se opět skvěle prolínají.

Prof. Nguyen Minh Tho - čestný profesor na KU Leuven University, Belgie

Zpět k tématu

DR. NGUYEN TRUNG DAN

Zdroj: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm