جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵: مکانیک کوانتومی از میکروسکوپی تا ماکروسکوپی

دقیقاً ۱۰۰ سال پس از کشف مکانیک کوانتومی، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵ به سه دانشمند آمریکایی اهدا شد که نشان دادند اثرات کوانتومی عجیب می‌توانند در مقیاس بزرگ رخ دهند و عصر جدیدی را برای فناوری کوانتومی آغاز کنند.

دانشمندان جان کلارک، میشل اچ. دوورت و جان ام. مارتینیس به عنوان دریافت‌کنندگان جایزه نوبل فیزیک امسال توسط آکادمی سلطنتی علوم سوئد در یک کنفرانس مطبوعاتی در استکهلم، سوئد، در تاریخ ۷ اکتبر اعلام شدند. - عکس: رویترز

در سال ۱۹۲۵، فیزیکدانان هایزنبرگ، شرودینگر و دیراک مکانیک کوانتومی را کشف کردند - کشفی قابل توجه که تأثیری دگرگون‌کننده بر جهان داشت.

دقیقاً ۱۰۰ سال بعد، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵ به سه فیزیکدان آمریکایی اهدا شد که اثر تونل‌زنی کوانتومی - یک اثر کوانتومی عجیب و میکروسکوپی - را به دنیای ماکروسکوپی آوردند و کاربردهای پیشگامانه بسیاری را برای آن گشودند.

فوق‌العاده است که بتوانیم از وجود مکانیک کوانتومی برای قرن‌ها و ارائه مداوم شگفتی‌های جدید تجلیل کنیم. همچنین فوق‌العاده مفید است، زیرا مکانیک کوانتومی پایه و اساس تمام فناوری‌های دیجیتال است.

اوله اریکسون (رئیس کمیته نوبل فیزیک، در حال سخنرانی)

کشفی پیشگامانه در مورد اثر تونل‌زنی.

بر اساس اعلام کمیته نوبل، سه فیزیکدان آمریکایی، جان کلارک، میشل اچ. دوورت و جان ام. مارتینیس، به دلیل «کشف اثرات تونل‌زنی کوانتومی ماکروسکوپی و کوانتیزاسیون انرژی در مدارهای الکتریکی»، جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۵ را دریافت کردند.

جایزه امسال به پاس قدردانی از مجموعه‌ای از آزمایش‌هایی است که آنها در سال‌های ۱۹۸۴ و ۱۹۸۵ روی مدارهای ابررسانا انجام دادند و نشان دادند که «تونل‌زنی» - پدیده عبور ذرات از موانعی که قبلاً تصور می‌شد فقط در مکانیک کوانتومی امکان‌پذیر است - می‌تواند در مقیاس‌های بسیار بزرگتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، رخ دهد.

پروفسور جان کلارک، که مدرک دکترای خود را در سال ۱۹۶۸ از دانشگاه کمبریج دریافت کرد، از سال ۱۹۶۹ استاد فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی بوده است. او در حال حاضر استاد بازنشسته در دانشکده تحصیلات تکمیلی این دانشگاه است.

میشل اچ. دوورت، متولد پاریس و دریافت کننده مدرک دکترای خود در همان شهر، استاد بازنشسته فیزیک کاربردی در موسسه کوانتومی ییل، دانشگاه ییل است.

دکتر جان ام. مارتینیس دارای مدرک دکترا از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی است. او پس از تدریس در دانشگاه، اخیراً با تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل همکاری داشته است.

در اواسط دهه ۱۹۸۰، دوورت به همراه دانشجوی دکترا، مارتینیس، به عنوان محقق پسادکترا به گروه تحقیقاتی کلارک پیوست. آنها با هم چالش نشان دادن اثرات تونل‌زنی کوانتومی در سطح ماکروسکوپی را بر عهده گرفتند.

در این آزمایش‌ها، این سه دانشمند یک مدار الکتریکی از یک ابررسانا ساختند که می‌توانست جریان را بدون مقاومت هدایت کند. با تنظیم دقیق و اندازه‌گیری خواص مدار، آنها توانستند پدیده‌های حاصل را کنترل کنند. ذرات بارداری که از میان ابررسانا حرکت می‌کردند، سیستمی را تشکیل می‌دادند که گویی یک ذره واحد هستند که کل مدار را پر می‌کند.

این ذرات در ابتدا در حالتی هستند که جریان بدون ولتاژ از آنها عبور می‌کند، گویی توسط یک مانع غیرقابل عبور مسدود شده‌اند.

در این آزمایش، سیستم با فرار از این حالت از طریق اثر تونل‌زنی کوانتومی، خواص کوانتومی را نشان داد. این سه دانشمند همچنین ثابت کردند که این سیستم کوانتیزه است، به این معنی که فقط مقدار مشخصی از انرژی را جذب یا ساطع می‌کند.

نشان دادن اثر تونل‌زنی مکانیک کوانتومی: یک توپ را به سمت دیوار پرتاب کنید و به عقب برمی‌گردد. اما یک ذره کوچک را پرتاب کنید و از آن طرف دیوار عبور خواهد کرد. این اثر با مجموعه بزرگتری از ذرات کاهش می‌یابد، به همین دلیل است که ما هرگز در زندگی روزمره عبور کسی از دیوارها را نمی‌بینیم. - عکس: یوهان جارنستاد/آکادمی علوم سوئد

هموار کردن راه برای فناوری کوانتومی

این آزمایش پیامدهای مهمی برای درک ما از مکانیک کوانتومی دارد. پیش از این، اثرات مکانیک کوانتومی در سطح ماکروسکوپی شامل بسیاری از ذرات میکروسکوپی بود که با هم ترکیب شده و پدیده‌هایی مانند لیزر، ابررساناها و سیالات ابرشاره را تولید می‌کردند. با این حال، آزمایش‌های سه فیزیکدان که جایزه نوبل امسال را دریافت کردند، یک اثر ماکروسکوپی مستقیم ایجاد کرد.

این نوع حالت کوانتومی ماکروسکوپی، پتانسیل جدیدی را برای آزمایش‌هایی با استفاده از پدیده‌هایی که بر دنیای میکروسکوپی حاکم هستند، فراهم می‌کند. می‌توان آن را نوعی اتم مصنوعی در مقیاس بزرگ در نظر گرفت که برای شبیه‌سازی و کمک به تحقیقات در مورد سایر سیستم‌های کوانتومی استفاده می‌شود.

یکی از کاربردهای مهم، کامپیوتر کوانتومی بود که بعدها توسط مارتینیس توسعه داده شد. او دقیقاً از کوانتیزاسیون انرژی که او و دو برنده جایزه نوبل نشان داده بودند، استفاده کرد و مدارهایی با حالت‌های کوانتیزه را به عنوان بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها به کار گرفت، که کمترین حالت انرژی 0 و بالاترین سطوح 1 بود.

مدارهای ابررسانا یکی از تکنیک‌هایی هستند که در تلاش برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مورد بررسی قرار می‌گیرند. مارتینیس از سال ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۰ رهبری گروه تحقیقاتی محاسبات کوانتومی گوگل را بر عهده داشت.

کلارک اظهار داشت که تحقیقات آنها به هموار کردن راه برای پیشرفت‌های تکنولوژیکی، مانند اختراع تلفن همراه، کمک کرده است. کمیته نوبل همچنین تأیید کرد: «امروزه هیچ فناوری پیشرفته‌ای وجود ندارد که مبتنی بر مکانیک کوانتومی نباشد، از جمله تلفن‌های همراه، دوربین‌ها... و فیبر نوری.»

وقتی فیزیک و شیمی در «تونل» کوانتومی به هم می‌رسند

جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۵ به سه دانشمند به خاطر اکتشافاتشان در مکانیک کوانتومی ۴۰ سال پیش اهدا خواهد شد. این نتیجه کاملاً غیرمنتظره نیست، زیرا یونسکو سال ۲۰۲۵ را به عنوان سال بین المللی علوم و فناوری کوانتومی نامگذاری کرده است.

کمیته نوبل اظهار داشت: «مکانیک کوانتومی پایه و اساس تمام فناوری‌های دیجیتال است... آزمایش‌های آنها زمینه را برای پیشرفت‌های جدید فناوری مبتنی بر اصول کوانتومی فراهم کرد.»

این سه فیزیکدان اثر تونل زنی را کشف کردند و جهش های انرژی را در مدارهای الکتریکی شناسایی کردند. اثر تونل زنی به زودی به یک مفهوم محوری در توضیح بسیاری از واکنش های شیمیایی تبدیل شد.

به عبارت ساده، عبور از گذرگاه های وان را تصور کنید: واکنش‌دهنده‌ها معمولاً باید با انرژی بسیار بالایی از گذرگاه «بالا بروند»، اما گاهی اوقات آنها «از یک تونل عبور می‌کنند» و سریع‌تر بر سد انرژی غلبه می‌کنند تا واکنش را آغاز کنند.

تونل‌زنی در سطح دانشگاه در کتاب‌های درسی سینتیک شیمیایی تدریس می‌شود و هنگام محاسبه ثابت‌های سرعت واکنش با استفاده از روش‌های کوانتومی شبیه‌سازی می‌شود. فیزیک و شیمی، بار دیگر، به طرز معجزه‌آسایی در هم تنیده‌اند.

پروفسور نگوین مین تو - استاد افتخاری دانشگاه KU لوون، بلژیک

برگردیم به موضوع

دکتر نگوین ترونگ دان

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