Nobel 2025 z fizyki dla trzech naukowców. Za mechanikę kwantową

Trudne do zrozumienia zjawiska kwantowe zachodzą zwykle na poziomie pojedynczych atomów. To na przykład superpozycja (cząstka może istnieć jednocześnie w wielu stanach/wielu miejscach), dopóki nie zostanie zmierzona. Splątane kwantowo cząstki mogą być ze sobą powiązane w taki sposób, że stan jednej natychmiast wpływa na stan drugiej, niezależnie od odległości. Dzięki tunelowaniu kwantowemu cząstka może „przejść” przez barierę energetyczną, nawet jeśli nie ma wystarczającej energii, aby ją pokonać w tradycyjny sposób.

Jednym z fundamentalnych zagadnień w fizyce jest maksymalny rozmiar układu, który może zademonstrować efekty mechaniki kwantowej.

Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla przeprowadzili eksperymenty z obwodem elektrycznym, w których zademonstrowali zarówno tunelowanie kwantowo-mechaniczne, jak i skwantyzowane poziomy energii w układzie makroskopowym – w tym wypadku na tyle dużym, że można go trzymać w dłoni.

Mechanika kwantowa pozwala cząstce na bezpośrednie przejście przez barierę, wykorzystując proces zwany tunelowaniem. Gdy zaangażowana jest duża liczba cząstek, efekty mechaniki kwantowej zazwyczaj stają się nieistotne. Eksperymenty laureatów wykazały, że właściwości mechaniki kwantowej można urzeczywistnić w skali makroskopowej.

W latach 1984 i 1985 John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis przeprowadzili serię eksperymentów z obwodem elektronicznym zbudowanym z nadprzewodników – elementów, które mogą przewodzić prąd bez oporu elektrycznego. W obwodzie elementy nadprzewodzące były oddzielone cienką warstwą materiału nieprzewodzącego, w układzie znanym jako złącze Josephsona.

Udoskonalając i mierząc wszystkie właściwości swojego obwodu, tegoroczni nobliści byli w stanie kontrolować i badać zjawiska zachodzące podczas przepuszczania przez niego prądu. Razem naładowane cząstki poruszające się przez nadprzewodnik tworzyły układ, który zachowywał się tak, jakby były pojedynczą cząstką wypełniającą cały obwód.

Ten makroskopowy, cząstkowy układ znajdował się początkowo w stanie, w którym prąd płynie bez żadnego napięcia. Układ był uwięziony w tym stanie, niczym za barierą, której nie może przekroczyć. W eksperymencie układ wykazał swój kwantowy charakter, uciekając ze stanu zerowego napięcia poprzez tunelowanie. Pojawienie się napięcia ujawniło zmieniony stan układu.

Laureaci mogli również wykazać, że układ zachowuje się w sposób przewidywany przez mechanikę kwantową – jest skwantyzowany, co oznacza, że pochłania lub emituje jedynie określone ilości energii.

– To wspaniałe, że możemy świętować to, jak stuletnia mechanika kwantowa nieustannie oferuje nowe niespodzianki. Jest to również niezwykle przydatne, ponieważ mechanika kwantowa stanowi fundament wszelkich technologii cyfrowych – powiedział Olle Eriksson, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki.

Jednym z przykładów zastosowań technologii kwantowej są tranzystory we wszechobecnych teraz mikroprocesorach komputerowych. Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki stworzyła możliwości rozwoju kolejnej generacji technologii kwantowej, w tym kryptografii kwantowej, komputerów kwantowych i czujników kwantowych.

Werdykt ogłosił we wtorek w Sztokholmie Komitet Noblowski. Nagrodą w wysokości 11 mln koron szwedzkich (ok. 4,2 mln zł) naukowcy podzielą się po równo.