2025-ös fizikai Nobel-díj: Kvantummechanika a mikrotól a makroszintűig

Pontosan 100 évvel a kvantummechanika felfedezése után a 2025-ös fizikai Nobel-díjat három amerikai tudósnak ítélték oda, akik bebizonyították, hogy különös kvantumhatások nagy léptékben is előfordulhatnak, új korszakot nyitva a kvantumtechnológia számára.

A Svéd Királyi Tudományos Akadémia október 7-én sajtótájékoztatón jelentette be John Clarke, Michel H. Devoret és John M. Martinis tudósokat az idei fizikai Nobel-díj nyerteseiként Stockholmban, Svédországban - Fotó: REUTERS

1925-ben Heisenberg, Schrödinger és Dirac fizikusok felfedezték a kvantummechanikát – egy különös felfedezést, amely megváltoztatta a világot .

Pontosan 100 évvel később, 2025-ben három amerikai fizikus kapta a fizikai Nobel-díjat, akik a kvantum-alagúteffektust – egy különös mikroszkopikus kvantumeffektust – a makroszkopikus világba hozták, számos úttörő alkalmazást nyitva meg.

Nagyszerű dolog ünnepelni azt, ahogyan az évszázados kvantummechanika folyamatosan új meglepetéseket tartogat. Hihetetlenül hasznos is, mert a kvantummechanika minden digitális technológia alapja.

Olle Eriksson (a Fizikai Nobel-bizottság elnöke, felszólal)

Áttörést jelentő felfedezés az alagúteffektus terén

A Nobel-bizottság bejelentése szerint három amerikai fizikus, John Clarke, Michel H. Devoret és John M. Martinis kapta a 2025-ös fizikai Nobel-díjat "a makroszkopikus kvantum-alagúteffektusok és az elektromos áramkörökben fellépő energiakvantálás felfedezéséért".

Az idei díjjal az 1984-ben és 1985-ben szupravezető áramkörökön végzett kísérletsorozatukat tüntették ki, amelyek azt mutatták, hogy az „alagútképződés” – a részecskék áthaladása akadályokon, ami csak a kvantummechanikában fordulhat elő – sokkal nagyobb léptékben fordulhat elő, mint azt korábban hitték.

John Clarke professzor, aki 1968-ban doktorált a Cambridge-i Egyetemen, 1969 óta a Kaliforniai Egyetem, Berkeley fizika professzora. Jelenleg az egyetem Doktori Iskolájának emeritus professzora.

Michel H. Devoret Párizsban született és ott is doktorált, az alkalmazott fizika emeritus professzora a Yale Egyetem Yale Kvantumintézetében.

John M. Martinis a Kaliforniai Egyetemen, Berkeley-ben szerzett PhD fokozatot. Miután az egyetemen tanított, legutóbb a Google kvantum mesterséges intelligenciával foglalkozó csoportjával dolgozott.

Az 1980-as évek közepén Mr. Devoret posztdoktori kutatóként csatlakozott Mr. Clarke kutatócsoportjához doktori hallgatójával, Martinisszel együtt. Együtt vállalták a kvantum-alagúteffektus makroszkopikus szintű bemutatásának kihívását.

Kísérleteik során a három tudós szupravezetőkből olyan áramköröket épített, amelyek ellenállás nélkül tudták vezetni az elektromos áramot. Az áramkör tulajdonságainak finomhangolásával és mérésével szabályozni tudták a fellépő jelenségeket. A szupravezetőn áthaladó töltött részecskék egy olyan rendszert alkottak, amely úgy viselkedett, mintha egyetlen részecske lennének, amely kitölti az egész áramkört.

Ez a részecskerendszer kezdetben olyan állapotban van, ahol az áram feszültség nélkül folyik, mintha egy áthatolhatatlan akadály blokkolná.

A kísérletben a rendszer kvantumtulajdonságokat mutatott be azáltal, hogy a kvantum-alagúteffektus révén kilépett ebből az állapotból. A három tudós azt is bebizonyította, hogy a rendszer kvantált, ami azt jelenti, hogy csak meghatározott mennyiségű energiát nyelt el vagy bocsátott ki.

A kvantummechanikai alagúteffektus illusztrációja: Dobjunk egy labdát a falnak, és az visszapattan. De dobjunk egy mikroszkopikus részecskét, és az átmegy a falon. Ez a hatás általában csökken egy nagy részecskecsoport esetén, ezért soha nem látunk valakit átmenni egy falon a mindennapi életben - Fotó: JOHAN JARNESTAD/Svéd Tudományos Akadémia

Útnyitással a kvantumtechnológia számára

A kísérletnek fontos következményei vannak a kvantummechanika megértése szempontjából. Korábban a makroszkopikus kvantummechanikai hatások számos mikroszkopikus részecskét érintettek, amelyek olyan jelenségeket hoztak létre, mint a lézerek, szupravezetők és szuperfolyadékok. Az idei három Nobel-díjas fizikus kísérletei azonban közvetlen makroszkopikus hatást eredményeztek.

Ez a fajta makroszkopikus kvantumállapot új lehetőségeket nyit meg a mikroszkopikus világot irányító jelenségeket kiaknázó kísérletek számára. Nagy léptékű mesterséges atomként fogható fel, amelyet más kvantumrendszerek szimulálására és tanulmányozásának elősegítésére használnak.

Fontos alkalmazás volt a Martinis által később megvalósított kvantumszámítógép. Pontosan azt az energiakvantálást alkalmazta, amelyet ő és két Nobel-díjas társ-díjasa bemutatott, kvantált állapotú áramköröket használva kvantumbitekként vagy qubitekként, ahol a legalacsonyabb energiaállapot 0, a magasabb pedig 1.

A szupravezető áramkörök az egyik olyan technika, amelyet a kvantumszámítógépek építése során vizsgálnak. Martinis 2014 és 2020 között a Google kvantumszámítástechnikai kutatócsoportjának vezetője volt.

Clarke úr elmondta, hogy kutatásaik utat nyitottak a technológiai fejlődésnek, például a mobiltelefonok születésének. A Nobel-bizottság azt is megerősítette: „Nincs ma olyan fejlett technológia, amely ne a kvantummechanikán alapulna, beleértve a mobiltelefonokat, a kamerákat... és az optikai kábeleket”.

Amikor a fizika és a kémia találkozik a kvantum"alagútban"

A 2025-ös fizikai Nobel-díjat három tudós kapta 40 évvel ezelőtt a kvantummechanika területén tett felfedezéseikért. Ez az eredmény nem túl meglepő, mivel az UNESCO 2025-öt a Kvantumtudomány és -technológia Nemzetközi Évének választotta.

A Nobel-bizottság kijelentette: „A kvantummechanika minden digitális technológia alapja… Kísérleteik megalapozták a kvantumelveken alapuló új technológiai fejlesztéseket”.

Ez a három fizikus fedezte fel az alagúteffektust, és meghatározta az elektromos áramkörökben fellépő energiaugrásokat. Az alagúteffektus hamarosan központi fogalommá vált számos kémiai reakció magyarázatában.

Egyszerűen elképzelhető, mint amikor áthaladunk a Hai Van hágón: a reagenseknek gyakran nagyon nagy energiával kell "megmászniuk a hágót", de néha "átmennek az alagúton", gyorsabban legyőzve az energiahatárt, hogy reakciót hozzanak létre.

Az alagúteffektust egyetemi szinten tanítják a kémiai kinetika tankönyvekben, és kvantummódszerekkel modellezik a reakciósebességi állandók kiszámításakor. A fizika és a kémia ismét csodálatosan ötvöződik.

Prof. Nguyen Minh Tho – a KU Leuven Egyetem tiszteletbeli professzora, Belgium

Vissza a témához

DR. NGUYEN TRUNG DAN

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