Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2025: Mechanika kwantowa od mikro do makro

Dokładnie 100 lat po odkryciu mechaniki kwantowej, Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2025 r. uhonorowano trzech amerykańskich naukowców, którzy wykazali, że dziwne efekty kwantowe mogą zachodzić na dużą skalę, rozpoczynając nową erę w technologii kwantowej.

Naukowcy John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis zostali ogłoszeni laureatami tegorocznej Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk podczas konferencji prasowej w Sztokholmie w Szwecji, 7 października - Zdjęcie: REUTERS

W 1925 roku fizycy Heisenberg, Schrödinger i Dirac odkryli mechanikę kwantową — dziwne odkrycie, które zmieniło świat .

Dokładnie 100 lat później, Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku 2025 przyznano trzem amerykańskim fizykom, którzy wprowadzili efekt tunelowania kwantowego – dziwny mikroskopijny efekt kwantowy – do świata makroskopowego, otwierając wiele przełomowych zastosowań.

Wspaniale jest móc świętować to, jak wielowiekowa mechanika kwantowa wciąż przynosi nowe niespodzianki. Jest to również niezwykle przydatne, ponieważ mechanika kwantowa stanowi fundament wszelkich technologii cyfrowych .

Olle Eriksson (przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki, przemawia)

Przełomowe odkrycie efektu tunelowania

Trzech amerykańskich fizyków: John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis, otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2025 „za odkrycie makroskopowych efektów tunelowania kwantowego i kwantyzacji energii w obwodach elektrycznych”, jak ogłosił Komitet Noblowski.

Tegoroczna nagroda została przyznana za serię eksperymentów przeprowadzonych w latach 1984–1985 na obwodach nadprzewodzących, które wykazały, że „tunelowanie” – zjawisko, w którym cząstki przechodzą przez bariery występujące wyłącznie w mechanice kwantowej – może występować na o wiele większą skalę, niż wcześniej sądzono.

Profesor John Clarke, który uzyskał doktorat na Uniwersytecie Cambridge w 1968 roku, od 1969 roku jest profesorem fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Obecnie jest emerytowanym profesorem w Szkole Podyplomowej tego uniwersytetu.

Michel H. Devoret, urodzony w Paryżu i tam uzyskujący doktorat, jest emerytowanym profesorem fizyki stosowanej w Yale Quantum Institute na Uniwersytecie Yale.

John M. Martinis uzyskał doktorat na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Po zakończeniu pracy dydaktycznej na tej uczelni, ostatnio współpracował z grupą Google zajmującą się sztuczną inteligencją kwantową.

W połowie lat 80. pan Devoret dołączył do grupy badawczej pana Clarke'a jako badacz podoktorski wraz ze swoim doktorantem, Martinisem. Wspólnie podjęli wyzwanie zademonstrowania efektu tunelowania kwantowego na poziomie makroskopowym.

W swoich eksperymentach trzej naukowcy zbudowali obwody z nadprzewodników, które mogły przewodzić prąd elektryczny bez oporu. Poprzez modyfikację i pomiar właściwości obwodu, mogli kontrolować zachodzące zjawiska. Naładowane cząstki przemieszczające się przez nadprzewodnik tworzyły układ, który zachowywał się tak, jakby były pojedynczą cząstką wypełniającą cały obwód.

Ten układ cząstek początkowo znajduje się w stanie, w którym prąd płynie bez napięcia, jakby był blokowany przez nieprzekraczalną barierę.

W eksperymencie układ wykazał właściwości kwantowe, uciekając z tego stanu poprzez efekt tunelowania kwantowego. Trzej naukowcy wykazali również, że układ był skwantowany, co oznacza, że ​​absorbował lub emitował tylko określone ilości energii.

Ilustracja efektu tunelowania kwantowego: Rzuć piłką o ścianę, a odbije się. Ale rzuć mikroskopijną cząstkę, a przejdzie przez ścianę. Efekt ten zwykle zanika w przypadku dużej grupy cząstek, dlatego w życiu codziennym nigdy nie widzimy nikogo przechodzącego przez ścianę. Zdjęcie: JOHAN JARNESTAD/Szwedzka Akademia Nauk

Torując drogę technologii kwantowej

Eksperyment ten ma istotne konsekwencje dla zrozumienia mechaniki kwantowej. Wcześniej makroskopowe efekty mechaniki kwantowej obejmowały wiele mikroskopijnych cząstek, które łączyły się, tworząc zjawiska takie jak lasery, nadprzewodniki i nadciecze. Jednak eksperymenty tegorocznych trzech fizyków, laureatów Nagrody Nobla, doprowadziły do ​​bezpośredniego efektu makroskopowego.

Ten typ makroskopowego stanu kwantowego otwiera nowe możliwości eksperymentów wykorzystujących zjawiska rządzące światem mikroskopowym. Można go postrzegać jako rodzaj sztucznego atomu na dużą skalę, wykorzystywanego do symulacji i wspomagania badań innych układów kwantowych.

Ważnym zastosowaniem był komputer kwantowy, który później wdrożył Martinis. Wykorzystał on dokładnie tę samą kwantyzację energii, którą zademonstrował on i jego dwaj współlaureaci Nagrody Nobla, wykorzystując obwody ze stanami skwantowanymi jako bity kwantowe lub kubity, przy czym najniższy stan energetyczny wynosił 0, a najwyższy 1.

Obwody nadprzewodzące to jedna z technik badanych w ramach prac nad budową komputerów kwantowych. Martinis kierował grupą badawczą Google zajmującą się komputerami kwantowymi w latach 2014–2020.

Pan Clarke powiedział, że ich badania pomogły utorować drogę postępowi technologicznemu, takiemu jak narodziny telefonów komórkowych. Komitet Noblowski potwierdził również: „Nie ma dziś zaawansowanej technologii, która nie opierałaby się na mechanice kwantowej, w tym: telefonów komórkowych, aparatów fotograficznych… i światłowodów”.

Kiedy fizyka i chemia spotykają się w „tunelu” kwantowym

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2025 została przyznana trzem naukowcom za ich odkrycia w dziedzinie mechaniki kwantowej 40 lat temu. Ten wynik nie jest zbyt zaskakujący, ponieważ UNESCO ogłosiło rok 2025 Międzynarodowym Rokiem Nauki i Technologii Kwantowej.

Komitet Noblowski stwierdził: „Mechanika kwantowa jest podstawą wszelkiej technologii cyfrowej… Ich eksperymenty położyły podwaliny pod nowe osiągnięcia technologiczne oparte na zasadach kwantowych”.

Ci trzej fizycy odkryli efekt tunelowania i określili skoki energii w obwodach elektrycznych. Efekt tunelowania wkrótce stał się kluczowym pojęciem wyjaśniającym wiele reakcji chemicznych.

Można to sobie łatwo wyobrazić jak podczas przejazdu przez przełęcz Hai Van: substraty często muszą „wspinać się na przełęcz” z bardzo dużą energią, ale czasami „przechodzą przez tunel”, szybciej pokonując barierę energetyczną i umożliwiając reakcję.

Tunelowanie jest nauczane na poziomie uniwersyteckim w podręcznikach do kinetyki chemicznej i modelowane za pomocą metod kwantowych przy obliczaniu stałych szybkości reakcji. Fizyka i chemia, po raz kolejny, doskonale się ze sobą łączą.

Prof. Nguyen Minh Tho – Profesor Honorowy Uniwersytetu KU Leuven w Belgii

Powrót do tematu

DR NGUYEN TRUNG DAN

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