2025-ös fizikai Nobel-díj: Kvantummechanika a mikroszkopikustól a makroszkopikusig

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, egy stockholmi sajtótájékoztatón jelentette be John Clarke, Michel H. Devoret és John M. Martinis tudósokat az idei fizikai Nobel-díj nyerteseiként. - Fotó: REUTERS

1925-ben Heisenberg, Schrödinger és Dirac fizikusok felfedezték a kvantummechanikát – egy figyelemre méltó felfedezést, amely világmegváltó hatással volt.

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

Csodálatos dolog ünnepelni, hogy a kvantummechanika évszázadok óta létezik, és folyamatosan új meglepetéseket tartogat. Hihetetlenül hasznos is, mert a kvantummechanika minden digitális technológia alapja.

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

Úttörő felfedezés az alagúteffektussal kapcsolatban.

Három amerikai fizikus, John Clarke, Michel H. Devoret és John M. Martinis kapta a 2025-ös fizikai Nobel-díjat „a makroszkopikus kvantumalagút-effektus és az elektromos áramkörökben lévő energia kvantálásának felfedezéséért” – derült ki a Nobel-bizottság bejelentéséből.

Az idei díjjal egy sor, 1984-ben és 1985-ben szupravezető áramkörökön végzett kísérletet tüntettek ki, amelyek azt mutatták, hogy az „alagútképződés” – a részecskék áthaladása olyan akadályokon, amelyeket korábban csak a kvantummechanikában lehetségesnek tartottak – sokkal nagyobb léptékben fordulhat elő, mint azt korábban hitték.

John Clarke professzor, aki 1968-ban szerezte meg doktori fokozatát a Cambridge-i Egyetemen, 1969 óta a Kaliforniai Egyetem, Berkeley fizika professzora. Jelenleg emeritus professzor az egyetem doktori iskolájában.

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

Dr. John M. Martinis a Kaliforniai Egyetemen, Berkeley-ben szerzett PhD fokozatot. Miután az egyetemen tanított, legutóbb a Google kvantum mesterséges intelligencia csapatával dolgozott.

Az 1980-as évek közepén Devoret posztdoktori kutatóként csatlakozott Clarke kutatócsoportjához Martinis doktorandusz hallgatóval együtt. Együtt vállalták a kvantum-alagúteffektus makroszkopikus szintű bemutatásának kihívását.

A kísérletek során a három tudós egy szupravezetőből egy olyan elektromos áramkört épített, amely ellenállás nélkül tudta vezetni az áramot. Az áramkör tulajdonságainak finomhangolásával és mérésével képesek voltak szabályozni a keletkező jelenségeket. A szupravezetőn áthaladó töltött részecskék egy olyan rendszert alkottak, amely úgy viselkedett, mintha egyetlen részecske lennének, amely kitölti az egész áramkört.

Ezek a részecskék kezdetben olyan állapotban vannak, ahol feszültség nélkül folyik át rajtuk az áram, mintha egy leküzdhetetlen akadály blokkolná őket.

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 egy meghatározott mennyiségű energiát nyel el vagy bocsát ki.

A kvantummechanika alagúteffektusának szemléltetése: Dobjunk egy labdát a falhoz, és az visszapattan. De dobjunk egy apró részecskét, és az átjut a fal másik oldalára. Ez a hatás általában csökken nagyobb részecskecsoporttal, ezért a mindennapi életben soha nem látunk valakit áthaladni a falakon. - Fotó: JOHAN JARNESTAD/Svéd Tudományos Akadémia

Útnyitással a kvantumtechnológia számára.

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

Ez a fajta makroszkopikus kvantumállapot új lehetőségeket nyit meg a mikroszkopikus világot irányító jelenségeket alkalmazó kísérletek számára. Nagy léptékű mesterséges atomnak tekinthető, amelyet más kvantumrendszerek szimulálására és kutatásának elősegítésére használnak.

Az egyik fontos alkalmazás a Martinis által később kifejlesztett kvantumszámítógép volt. Pontosan azt az energiakvantálást alkalmazta, amelyet ő és két Nobel-díjas már bemutatott, kvantált állapotú áramköröket használva kvantumbitekként vagy qubitekként, ahol a legalacsonyabb energiaállapot 0, a magasabb szintek pedig 1.

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

Clarke kijelentette, hogy kutatásaik hozzájárultak a technológiai fejlődés, például a mobiltelefon feltalálásának útjának megnyitásához. A Nobel-bizottság azt is megerősítette: „Nincs ma olyan fejlett technológia, amely ne a kvantummechanikán alapulna, beleértve a mobiltelefonokat, a kamerákat... és a száloptikát.”

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

A 2025-ös fizikai Nobel-díjat három tudós kapja a kvantummechanika területén 40 évvel ezelőtt tett felfedezéseikért. Ez az eredmény nem teljesen váratlan, mivel az UNESCO 2025-öt a Kvantumtudomány és -technológia Nemzetközi Évének nyilvánította.

A Nobel-bizottság kijelentette: „A kvantummechanika minden digitális technológia alapja… Kísérleteik lerakták az alapokat a kvantumelveken alapuló új technológiai fejlesztésekhez.”

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

Egyszerűen fogalmazva, képzeljük el a Hai Van-hágó átkelését: a reagenseknek általában nagyon nagy energiával kell "megmászniuk a hágót", de néha "alagutat vesznek igénybe", gyorsabban leküzdve az energiahatárt a reakció megindításához.

Az alagúteffektust egyetemi szinten tanítják a kémiai kinetika tankönyveiben, és kvantummódszerekkel szimulálják a reakciósebességi állandók kiszámításakor. A fizika és a kémia ismét csodálatos módon összefonódik.

Nguyen Minh Tho professzor - tiszteletbeli professzor a KU Leuveni Egyetemen, Belgiumban

Vissza a témához

Dr. Nguyễn Trung Dan

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