Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2025: Κβαντομηχανική από το Μικρο στο Μακρο

Ακριβώς 100 χρόνια μετά την ανακάλυψη της κβαντομηχανικής, το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2025 τίμησε τρεις Αμερικανούς επιστήμονες που απέδειξαν ότι παράξενα κβαντικά φαινόμενα μπορούν να συμβούν σε μεγάλη κλίμακα, ανοίγοντας μια νέα εποχή για την κβαντική τεχνολογία.

Οι επιστήμονες John Clarke, Michel H. Devoret και John M. Martinis ανακοινώθηκαν ως οι νικητές του φετινού βραβείου Νόμπελ Φυσικής από τη Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών, σε συνέντευξη Τύπου στη Στοκχόλμη της Σουηδίας, στις 7 Οκτωβρίου - Φωτογραφία: REUTERS

Το 1925, οι φυσικοί Χάιζενμπεργκ, Σρέντιγκερ και Ντιράκ ανακάλυψαν την κβαντομηχανική—μια παράξενη ανακάλυψη που θα άλλαζε τον κόσμο .

Ακριβώς 100 χρόνια αργότερα, το Νόμπελ Φυσικής του 2025 απονεμήθηκε σε τρεις Αμερικανούς φυσικούς που έφεραν το φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας - ένα παράξενο μικροσκοπικό κβαντικό φαινόμενο - στον μακροσκοπικό κόσμο, ανοίγοντας πολλές πρωτοποριακές εφαρμογές.

Είναι υπέροχο που μπορούμε να γιορτάσουμε τον τρόπο με τον οποίο η κβαντομηχανική, μια κβαντομηχανική αιώνων, συνεχίζει να φέρνει νέες εκπλήξεις. Είναι επίσης εξαιρετικά χρήσιμο, επειδή η κβαντομηχανική είναι το θεμέλιο κάθε ψηφιακής τεχνολογίας .

Όλε Έρικσον (Πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ Φυσικής, ομιλητής)

Πρωτοποριακή ανακάλυψη του φαινομένου της σήραγγας

Τρεις Αμερικανοί φυσικοί, οι John Clarke, Michel H. Devoret και John M. Martinis, τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής 2025 για «την ανακάλυψη μακροσκοπικών φαινομένων κβαντικής σήραγγας και κβάντωσης ενέργειας σε ηλεκτρικά κυκλώματα», σύμφωνα με ανακοίνωση της Επιτροπής Νόμπελ.

Το φετινό βραβείο τιμά μια σειρά πειραμάτων που διεξήγαγαν το 1984 και το 1985 σε υπεραγώγιμα κυκλώματα, αποδεικνύοντας ότι η «σήραγγα» - το φαινόμενο των σωματιδίων που διέρχονται από εμπόδια που μπορεί να συμβεί μόνο στην κβαντομηχανική - μπορεί να συμβεί σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.

Ο καθηγητής John Clarke, ο οποίος έλαβε το διδακτορικό του από το Πανεπιστήμιο του Cambridge το 1968, είναι καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ από το 1969. Σήμερα είναι ομότιμος καθηγητής στη Μεταπτυχιακή Σχολή του πανεπιστημίου.

Ο Michel H. Devoret, γεννημένος στο Παρίσι και λαμβάνοντας εκεί το διδακτορικό του, είναι ομότιμος καθηγητής εφαρμοσμένης φυσικής στο Ινστιτούτο Κβαντικής Φυσικής Yale του Πανεπιστημίου Yale.

Ο John M. Martinis είναι κάτοχος διδακτορικού τίτλου από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ. Αφού δίδαξε στο πανεπιστήμιο, πιο πρόσφατα εργάστηκε στην ομάδα κβαντικής τεχνητής νοημοσύνης της Google.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, ο κ. Devoret εντάχθηκε στην ερευνητική ομάδα του κ. Clarke ως μεταδιδακτορικός ερευνητής, μαζί με τον διδακτορικό φοιτητή του, Martinis. Μαζί, ανέλαβαν την πρόκληση να καταδείξουν το φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας σε μακροσκοπικό επίπεδο.

Στα πειράματά τους, οι τρεις επιστήμονες κατασκεύασαν κυκλώματα από υπεραγωγούς που μπορούσαν να άγουν ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση. Ρυθμίζοντας και μετρώντας τις ιδιότητες του κυκλώματος, μπορούσαν να ελέγξουν τα φαινόμενα που συνέβαιναν. Τα φορτισμένα σωματίδια που κινούνταν μέσα στον υπεραγωγό σχημάτιζαν ένα σύστημα που συμπεριφερόταν σαν να ήταν ένα μόνο σωματίδιο που γέμιζε ολόκληρο το κύκλωμα.

Αυτό το σύστημα σωματιδίων βρίσκεται αρχικά σε μια κατάσταση όπου το ρεύμα ρέει χωρίς τάση, σαν να εμποδίζεται από ένα αδιαπέραστο φράγμα.

Στο πείραμα, το σύστημα επέδειξε κβαντικές ιδιότητες διαφεύγοντας από αυτήν την κατάσταση μέσω του φαινομένου της κβαντικής σήραγγας. Οι τρεις επιστήμονες απέδειξαν επίσης ότι το σύστημα ήταν κβαντισμένο, που σημαίνει ότι απορροφούσε ή εξέπεμπε μόνο συγκεκριμένες ποσότητες ενέργειας.

Απεικόνιση του φαινομένου της κβαντομηχανικής σήραγγας: Πετάξτε μια μπάλα σε έναν τοίχο και αυτή αναπηδά πίσω. Αλλά ρίξτε ένα μικροσκοπικό σωματίδιο και αυτό περνάει μέσα από τον τοίχο. Αυτό το φαινόμενο συνήθως μειώνεται για μια μεγάλη ομάδα σωματιδίων, γι' αυτό και δεν βλέπουμε ποτέ κάποιον να περνάει μέσα από έναν τοίχο στην καθημερινή ζωή - Φωτογραφία: JOHAN JARNESTAD/Σουηδική Ακαδημία Επιστημών

Ανοίγοντας το δρόμο για την κβαντική τεχνολογία

Το πείραμα έχει σημαντικές συνέπειες για την κατανόηση της κβαντομηχανικής. Προηγουμένως, τα μακροσκοπικά κβαντομηχανικά φαινόμενα περιελάμβαναν πολλά μικροσκοπικά σωματίδια που συνδυάζονταν για να παράγουν φαινόμενα όπως λέιζερ, υπεραγωγούς και υπερρευστά. Ωστόσο, τα πειράματα των τριών φυσικών που βραβεύτηκαν με Νόμπελ φέτος παρήγαγαν ένα άμεσο μακροσκοπικό αποτέλεσμα.

Αυτός ο τύπος μακροσκοπικής κβαντικής κατάστασης ανοίγει νέες δυνατότητες για πειράματα που εκμεταλλεύονται φαινόμενα που διέπουν τον μικροσκοπικό κόσμο. Μπορεί να θεωρηθεί ως ένα είδος τεχνητού ατόμου σε μεγάλη κλίμακα, που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση και την υποβοήθηση της μελέτης άλλων κβαντικών συστημάτων.

Μια σημαντική εφαρμογή ήταν ο κβαντικός υπολογιστής που αργότερα υλοποίησε ο Martinis. Χρησιμοποίησε ακριβώς την κβάντωση ενέργειας που είχαν επιδείξει αυτός και οι δύο συν-βραβευμένοι με το βραβείο Νόμπελ, χρησιμοποιώντας κυκλώματα με κβάντισες καταστάσεις ως κβαντικά bits ή qubits με τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση να είναι το 0 και την υψηλότερη να είναι το 1.

Τα υπεραγώγιμα κυκλώματα είναι μία από τις τεχνικές που διερευνώνται στην προσπάθεια κατασκευής κβαντικών υπολογιστών. Ο Μαρτίνις ήταν επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας κβαντικής πληροφορικής της Google από το 2014 έως το 2020.

Ο κ. Κλαρκ δήλωσε ότι η έρευνά τους βοήθησε να ανοίξει ο δρόμος για τεχνολογικές εξελίξεις, όπως η γέννηση των κινητών τηλεφώνων. Η Επιτροπή Νόμπελ επιβεβαίωσε επίσης: «Δεν υπάρχει προηγμένη τεχνολογία σήμερα που να μην βασίζεται στην κβαντομηχανική, συμπεριλαμβανομένων: των κινητών τηλεφώνων, των φωτογραφικών μηχανών... και των καλωδίων οπτικών ινών».

Όταν η φυσική και η χημεία συναντώνται στο κβαντικό «τούνελ»

Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2025 απονεμήθηκε σε τρεις επιστήμονες για τις ανακαλύψεις τους στην κβαντομηχανική πριν από 40 χρόνια. Αυτό το αποτέλεσμα δεν προκαλεί έκπληξη, επειδή η UNESCO επέλεξε το 2025 ως το Διεθνές Έτος Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας.

Η Επιτροπή Νόμπελ δήλωσε: «Η κβαντομηχανική είναι η βάση κάθε ψηφιακής τεχνολογίας... Τα πειράματά τους έθεσαν τα θεμέλια για νέες τεχνολογικές εξελίξεις που βασίζονται στις κβαντικές αρχές».

Αυτοί οι τρεις φυσικοί ανακάλυψαν το φαινόμενο της σήραγγας και προσδιόρισαν τα ενεργειακά άλματα στα ηλεκτρικά κυκλώματα. Το φαινόμενο της σήραγγας σύντομα έγινε κεντρική έννοια στην εξήγηση πολλών χημικών αντιδράσεων.

Μπορεί να φανταστεί κανείς απλά όπως όταν περνάμε από το πέρασμα Hai Van: τα αντιδρώντα συχνά πρέπει να «ανέβουν το πέρασμα» με πολύ υψηλή ενέργεια, αλλά μερικές φορές «περνούν μέσα από τη σήραγγα», ξεπερνώντας το ενεργειακό φράγμα πιο γρήγορα για να δημιουργήσουν μια αντίδραση.

Η διάνοιξη σηράγγων διδάσκεται σε πανεπιστημιακό επίπεδο σε εγχειρίδια χημικής κινητικής και μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας κβαντικές μεθόδους κατά τον υπολογισμό των σταθερών ρυθμού αντίδρασης. Η φυσική και η χημεία, για άλλη μια φορά, συνδυάζονται υπέροχα.

Καθ. Nguyen Minh Tho - Επίτιμος Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο KU Leuven, Βέλγιο

Επιστροφή στο θέμα

Δρ. Νγκουγιέν Τρουνγκ Νταν

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