Hadiah Nobel dalam Fizik 2025: Mekanik Kuantum daripada Mikro kepada Makro

Tepat 100 tahun selepas penemuan mekanik kuantum, Hadiah Nobel dalam Fizik 2025 memberi penghormatan kepada tiga saintis Amerika yang menunjukkan bahawa kesan kuantum pelik boleh berlaku secara besar-besaran, membuka era baharu bagi teknologi kuantum.

Saintis John Clarke, Michel H. Devoret dan John M. Martinis diumumkan sebagai pemenang Hadiah Nobel dalam Fizik tahun ini oleh Akademi Sains Diraja Sweden, pada sidang akhbar di Stockholm, Sweden, pada 7 Oktober - Foto: REUTERS

Pada tahun 1925, ahli fizik Heisenberg, Schrödinger, dan Dirac menemui mekanik kuantum—penemuan aneh yang akan mengubah dunia .

Tepat 100 tahun kemudian, Hadiah Nobel dalam Fizik 2025 telah dianugerahkan kepada tiga ahli fizik Amerika yang membawa kesan terowong kuantum - kesan kuantum mikroskopik yang pelik - ke dalam dunia makroskopik, membuka banyak aplikasi terobosan.

Seronok dapat meraikan cara mekanik kuantum berkurun lamanya terus membawa kejutan baharu. Ia juga amat berguna, kerana mekanik kuantum ialah asas kepada semua teknologi digital .

Olle Eriksson (Pengerusi Jawatankuasa Nobel untuk Fizik, bercakap)

Penemuan terobosan kesan terowong

Tiga ahli fizik Amerika, John Clarke, Michel H. Devoret dan John M. Martinis, telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik 2025 untuk "penemuan kesan terowong kuantum makroskopik dan kuantisasi tenaga dalam litar elektrik," menurut pengumuman Jawatankuasa Nobel.

Hadiah tahun ini memberi penghormatan kepada satu siri eksperimen yang mereka jalankan pada tahun 1984 dan 1985 pada litar superkonduktor, menunjukkan bahawa "terowong" - fenomena zarah yang melalui halangan yang hanya boleh berlaku dalam mekanik kuantum - boleh berlaku pada skala yang lebih besar daripada yang dipercayai sebelum ini.

Profesor John Clarke, yang menerima PhD dari Universiti Cambridge pada tahun 1968, telah menjadi Profesor Fizik di Universiti California, Berkeley sejak 1969. Beliau kini Profesor Emeritus di Sekolah Siswazah universiti itu.

Michel H. Devoret, dilahirkan di Paris dan menerima ijazah kedoktorannya di sana, ialah profesor emeritus fizik gunaan di Institut Kuantum Yale Universiti Yale.

John M. Martinis berkelulusan PhD dari University of California, Berkeley. Selepas mengajar di universiti, dia baru-baru ini bekerja dengan kumpulan AI kuantum Google.

Pada pertengahan 1980-an, En. Devoret menyertai kumpulan penyelidikan En. Clarke sebagai penyelidik pasca doktoral, bersama pelajar kedoktorannya, Martinis. Bersama-sama, mereka menyahut cabaran untuk menunjukkan kesan terowong kuantum pada tahap makroskopik.

Dalam eksperimen mereka, tiga saintis membina litar daripada superkonduktor yang boleh mengalirkan arus elektrik tanpa rintangan. Dengan mengubah suai dan mengukur sifat litar, mereka boleh mengawal fenomena yang berlaku. Zarah bercas yang bergerak melalui superkonduktor membentuk sistem yang berkelakuan seolah-olah ia adalah zarah tunggal yang mengisi keseluruhan litar.

Sistem zarah ini pada mulanya berada dalam keadaan di mana arus mengalir tanpa voltan, seolah-olah disekat oleh penghalang yang tidak boleh dilalui.

Dalam eksperimen, sistem menunjukkan sifat kuantum dengan melarikan diri daripada keadaan ini melalui kesan terowong kuantum. Ketiga-tiga saintis itu juga menunjukkan bahawa sistem itu dikuantisasi, bermakna ia hanya menyerap atau mengeluarkan jumlah tenaga tertentu.

Ilustrasi kesan terowong mekanikal kuantum: Baling bola ke dinding, dan ia melantun semula. Tetapi buang zarah mikroskopik, dan ia melalui dinding. Kesan ini biasanya berkurangan untuk sekumpulan besar zarah, itulah sebabnya kita tidak pernah melihat seseorang melalui dinding dalam kehidupan seharian - Foto: JOHAN JARNESTAD/Akademi Sains Sweden

Membuka jalan untuk teknologi kuantum

Eksperimen mempunyai akibat penting untuk pemahaman mekanik kuantum. Sebelum ini, kesan mekanikal kuantum makroskopik melibatkan banyak zarah mikroskopik digabungkan untuk menghasilkan fenomena seperti laser, superkonduktor, dan cecair super. Walau bagaimanapun, eksperimen tiga ahli fizik yang memenangi Hadiah Nobel tahun ini menghasilkan kesan makroskopik langsung.

Keadaan kuantum makroskopik jenis ini membuka potensi baharu untuk eksperimen yang mengeksploitasi fenomena yang mengawal dunia mikroskopik. Ia boleh dianggap sebagai sejenis atom buatan pada skala besar, digunakan untuk mensimulasikan dan membantu dalam kajian sistem kuantum lain.

Aplikasi penting ialah komputer kuantum yang kemudiannya dilaksanakan oleh Martinis. Dia menggunakan betul-betul kuantisasi tenaga yang dia dan dua pemenang Nobel bersamanya telah tunjukkan, menggunakan litar dengan keadaan terkuantum sebagai bit kuantum atau qubit dengan keadaan tenaga terendah ialah 0 dan yang lebih tinggi ialah 1.

Litar superkonduktor adalah salah satu teknik yang sedang diterokai dalam usaha membina komputer kuantum. Martinis ialah ketua kumpulan penyelidikan pengkomputeran kuantum Google dari 2014 hingga 2020.

Encik Clarke berkata penyelidikan mereka telah membantu membuka jalan kepada kemajuan teknologi, seperti kelahiran telefon bimbit. Jawatankuasa Nobel juga menegaskan: "Tiada teknologi canggih hari ini yang tidak berasaskan mekanik kuantum, termasuk: telefon bimbit, kamera... dan kabel gentian optik".

Apabila fizik dan kimia bertemu dalam "terowong" kuantum

Hadiah Nobel dalam Fizik 2025 telah dianugerahkan kepada tiga saintis atas penemuan mereka dalam mekanik kuantum 40 tahun lalu. Keputusan ini tidak terlalu mengejutkan, kerana UNESCO telah memilih 2025 sebagai Tahun Antarabangsa Sains dan Teknologi Kuantum.

Jawatankuasa Nobel menyatakan: "Mekanik kuantum adalah asas kepada semua teknologi digital... Eksperimen mereka meletakkan asas untuk kemajuan teknologi baharu berdasarkan prinsip kuantum".

Ketiga-tiga ahli fizik ini menemui kesan terowong dan menentukan lompatan tenaga dalam litar elektrik. Kesan terowong tidak lama lagi menjadi konsep utama dalam menerangkan banyak tindak balas kimia.

Ia boleh dibayangkan secara ringkas seperti semasa melalui Hai Van Pass: bahan tindak balas selalunya perlu "memanjat laluan" dengan tenaga yang sangat tinggi, tetapi kadangkala mereka "melalui terowong", mengatasi halangan tenaga dengan lebih pantas untuk mencipta tindak balas.

Terowong diajar di peringkat universiti dalam buku teks kinetik kimia, dan dimodelkan menggunakan kaedah kuantum apabila mengira pemalar kadar tindak balas. Fizik dan kimia, sekali lagi, bercampur hebat.

Madya Nguyen Minh Tho - Profesor Kehormat di Universiti KU Leuven, Belgium

Kembali ke topik

DR. NGUYEN TRUNG DAN

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