Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2025 r.: Mechanika kwantowa od mikroskopijnej do makroskopowej

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, przyznanej przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk na konferencji prasowej w Sztokholmie w Szwecji, 7 października. - Zdjęcie: REUTERS

W 1925 roku fizycy Heisenberg, Schrödinger i Dirac odkryli mechanikę kwantową — było to niezwykłe odkrycie, które zmieniło oblicze świata .

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, że mechanika kwantowa istnieje od wieków i nieustannie dostarcza nowych niespodzianek. Jest to również niezwykle przydatne, ponieważ mechanika kwantowa stanowi fundament wszystkich technologii cyfrowych .

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

Przełomowe odkrycie dotyczące 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 kwantyzację 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 wcześniej uważane za możliwe 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 na studiach podyplomowych tego uniwersytetu.

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

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

W połowie lat 80. Devoret dołączył do grupy badawczej Clarke'a jako badacz podoktorancki, wraz ze studentem doktoranckim Martinisem. Wspólnie podjęli wyzwanie zademonstrowania efektów tunelowania kwantowego na poziomie makroskopowym.

W ramach eksperymentów trzej naukowcy zbudowali obwód elektryczny z nadprzewodnika, który mógł przewodzić prąd bez oporu. Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu i pomiarowi właściwości obwodu, byli w stanie kontrolować zachodzące zjawiska. Naładowane cząstki przemieszczające się przez nadprzewodnik utworzyły układ, który zachowywał się tak, jakby były pojedynczą cząstką wypełniającą cały obwód.

Cząsteczki te początkowo znajdują się w stanie, w którym przepływa przez nie prąd bez napięcia, jakby były blokowane przez nieprzekraczalną barierę.

W eksperymencie układ wykazał właściwości kwantowe, uciekając z tego stanu poprzez efekt tunelowania kwantowego. Trzej naukowcy udowodnili również, że układ jest skwantowany, co oznacza, że ​​pochłania lub emituje jedynie określoną ilość energii.

Ilustrując efekt tunelowania w mechanice kwantowej: Rzuć piłką o ścianę, a odbije się. Ale rzuć małą cząstkę, a przejdzie ona na drugą stronę ściany. Efekt ten ma tendencję do zanikania wraz ze wzrostem liczby cząstek, dlatego w życiu codziennym nigdy nie widzimy, żeby ktoś przechodził przez ścianę. - Zdjęcie: JOHAN JARNESTAD/Szwedzka Akademia Nauk

Torujemy drogę technologii kwantowej.

Ten eksperyment ma istotne implikacje dla naszego rozumienia mechaniki kwantowej. Wcześniej efekty mechaniki kwantowej na poziomie makroskopowym obejmowały wiele mikroskopijnych cząstek, które łączyły się, tworząc zjawiska takie jak lasery, nadprzewodniki i ciecze nadciekłe. Jednak eksperymenty trzech fizyków, którzy otrzymali tegoroczną Nagrodę Nobla, doprowadziły do ​​bezpośredniego efektu makroskopowego.

Ten typ makroskopowego stanu kwantowego otwiera nowe możliwości eksperymentów wykorzystujących zjawiska rządzące światem mikroskopowym. Można go uznać za formę sztucznego atomu na dużą skalę, wykorzystywaną do symulacji i wspomagania badań nad innymi układami kwantowymi.

Jednym z ważnych zastosowań był komputer kwantowy, opracowany później przez Martinisa. Wykorzystał on dokładnie tę kwantyzację energii, którą on i dwaj laureaci Nagrody Nobla zademonstrowali, wykorzystując obwody ze stanami skwantowanymi jako bity kwantowe lub kubity, przy czym najniższy stan energetyczny wynosił 0, a wyższy 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.

Clarke stwierdził, że ich badania przyczyniły się do utorowania drogi postępowi technologicznemu, takiemu jak wynalezienie telefonu komórkowego. Komitet Noblowski stwierdził 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 zostanie przyznana trzem naukowcom za odkrycia w dziedzinie mechaniki kwantowej dokonane 40 lat temu. Ten wynik nie jest całkowicie nieoczekiwany, 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 zidentyfikowali skoki energii w obwodach elektrycznych. Efekt tunelowania wkrótce stał się kluczowym pojęciem wyjaśniającym wiele reakcji chemicznych.

Mówiąc prościej, wyobraźmy sobie przekraczanie przełęczy Hai Van: substraty reakcji zwykle muszą „wspiąć się na przełęcz” z bardzo dużą energią, ale czasami „wybierają tunel”, szybciej pokonując barierę energetyczną i inicjując reakcję.

Tunelowanie jest nauczane na poziomie uniwersyteckim w podręcznikach do kinetyki chemicznej i symulowane metodami kwantowymi przy obliczaniu stałych szybkości reakcji. Fizyka i chemia po raz kolejny cudownie się ze sobą splatają.

Profesor 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