Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2025: Kiedy „świat kwantowy” stanie się widoczny

Przez długi czas świat kwantowy był uważany za „dziwną” przestrzeń, w której cząstki mogą przenikać przeszkody, istnieć w dwóch stanach jednocześnie i przeczyć wszelkim prawom ludzkiej intuicji. Jednak trio naukowców: John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis sprawiło, że to, co wydawało się istnieć tylko w mikroskopijnych laboratoriach, stało się namacalne – w obwodzie elektrycznym widocznym gołym okiem.

7 października trzej naukowcy (John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis) otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2025 za „odkrycie kwantowo-mechanicznych efektów tunelowych w skali makroskopowej oraz kwantyzację energii w obwodach elektrycznych”. Podzielą się nagrodą o wartości 11 milionów koron szwedzkich (równowartość 1,17 miliona dolarów).

Mechanika kwantowa rządzi mikroskopijnym światem atomów i elektronów – gdzie elektrony mogą „przenikać” bariery energetyczne i pochłaniać energię tylko w ustalonych ilościach, zwanych kwantami.

Na poziomie makroskopowym ludzkiego świata efekty te zdają się zanikać. Na przykład kula zbudowana z niezliczonej liczby atomów nigdy nie mogłaby przejść przez ścianę.

Zainteresowani tym tematem trzej naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego, Clarke, Devoret i Martinis, zaczęli w latach 80. ubiegłego wieku sprawdzać, czy prawa kwantowe istnieją na tyle duże, by dało się je zobaczyć gołym okiem.

Aby to przetestować, stworzyli obwód Josephsona – w którym dwa nadprzewodniki są rozdzielone ultracienką warstwą izolacyjną. W zwykłym metalu elektrony zderzają się z materiałem i ze sobą, ale w nadprzewodniku schłodzonym do temperatury bliskiej zera absolutnego tworzą pary Coopera, które poruszają się zgodnie bez oporu i dzielą jedną kwantową funkcję falową.

Gdy zespół utrzymywał obwód przy zerowym napięciu, zgodnie z fizyką klasyczną, obwód powinien pozostać nieruchomy. Badania wykazały jednak, że obwód czasami nagle „ucieka” – nie z powodu ciepła, ale dzięki tunelowaniu kwantowemu przez barierę energetyczną. Był to pierwszy bezpośredni dowód na to, że prawa kwantowe nadal istnieją w świecie makroskopowym.

Następnie, wystawiając obwód na działanie mikrofal, trzej naukowcy zaobserwowali ostre piki rezonansowe o określonych częstotliwościach. Każdy pik odpowiadał przerwie energetycznej między dwoma stanami skwantowanymi, co wskazywało, że energia obwodu mogła przyjmować jedynie wartości dyskretne. Innymi słowy, urządzenie złożone z miliardów elektronów zachowywało się jak pojedynczy układ kwantowy.

Przed tym eksperymentem efekty tunelowania kwantowego i kwantyzacji energii obserwowano wyłącznie w atomach i cząstkach subatomowych.

Pani Eva Olsson – członkini Komitetu Noblowskiego – oceniła prace badawcze tria naukowców: Johna Clarke’a, Michela H. Devoreta i Johna M. Martinisa jako „otwierające drzwi do innego świata”.

„Kiedy zjawiska kwantowe zostaną przeniesione na skalę makroskopową, możemy ich dotknąć, kontrolować i obserwować – otwiera to drzwi do zupełnie nowych struktur i technologii” – powiedziała.

Tymczasem pan Olle Eriksson – przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki – nazwał to dowodem na to, że mechanika kwantowa jest niezwykle użyteczna i stanowi podstawę całej obecnej technologii cyfrowej.

Odkrycia trzech naukowców: Clarke’a, Devoreta i Martinisa położyły podwaliny pod komputery kwantowe.

Pod koniec lat 90. naukowcy zaczęli rozwijać bity kwantowe (kubity) – jednostki informacji kwantowej – w oparciu o zasadę energii zaprezentowaną przez pionierską trójkę.

Pan Martinis zastosował później tę metodę do stworzenia pierwszego nadprzewodzącego procesora kwantowego, w którym kubity mogą delikatnie oscylować między „0” i „1” w wyrafinowanej superpozycji kwantowej.

Zdaniem Komitetu Noblowskiego tranzystor znajdujący się we współczesnych mikroprocesorach komputerowych jest przykładem tego, w jaki sposób mechanika kwantowa stała się podstawą codziennej technologii, kładąc podwaliny pod nową generację technologii kwantowej, w tym kryptografii kwantowej, komputerów kwantowych i czujników kwantowych./.

(TTXVN/Wietnam+)

Źródło: https://www.vietnamplus.vn/giai-nobel-physics-2025-khi-the-gioi-luong-tu-tro-nen-huu-hinh-post1068919.vnp