Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2025 roku jest wyrazem uznania dla przełomowego postępu w mechanice kwantowej, nagradzając pracę Johna Clarke’a, Michela H. Devoreta i Johna M. Martinisa. Ich badania z powodzeniem zademonstrowały zasady mechaniki kwantowej w makroskopowych obwodach elektrycznych, co stanowi znaczące odejście od tradycyjnie mikroskopowego obszaru, w którym zjawiska te były badane. To odkrycie, zbiegające się ze stuleciem sformułowania mechaniki kwantowej, podkreśla trwały wpływ teorii i jej rosnący potencjał dla innowacji technologicznych.
Mechanika kwantowa, początkowo opracowana w celu wyjaśnienia osobliwych zachowań cząstek subatomowych, odegrała kluczową rolę w kształtowaniu nowoczesnych technologii, od laserów i obrazowania medycznego po układy scalone, które napędzają nasz cyfrowy świat. Jednak inherentne wyzwania związane z obserwowaniem i manipulowaniem efektami kwantowymi w ich naturalnej, maleńkiej skali, od dawna stanowiły poważną przeszkodę dla głębszego zrozumienia naukowego i praktycznego zastosowania.
Przekroczenie Granicy Kwantowej
W ostatnich dekadach XX wieku naukowcy podjęli skoordynowane wysiłki w celu precyzyjnego kontrolowania i pomiaru pojedynczych obiektów kwantowych. Dążenie do inżynierii kwantowej ma na celu wykorzystanie intuicyjnych właściwości fizyki kwantowej, takich jak superpozycja i splątanie, do transformacyjnych postępów technologicznych. Ostatecznym celem jest stworzenie maszyn kwantowych zdolnych do przetwarzania informacji w fundamentalnie nowy sposób, oferujących potencjalne korzyści w zakresie obliczeń, symulacji i bezpiecznej komunikacji.
Kluczowym warunkiem wstępnym do realizacji tych technologii kwantowych jest rozwój niezawodnych, sterowalnych komponentów, które działają w skali ludzkiej, a jednocześnie przestrzegają praw kwantowych. Badania Clarke’a, Devoreta i Martinisa dostarczyły kluczowej pozytywnej odpowiedzi na to wyzwanie, demonstrując, że granicę między mikroskopowym światem kwantowym a makroskopową rzeczywistością można rzeczywiście przekroczyć.
Obwody Nadprzewodzące jako „Sztuczne Atomy”
Pracując razem na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w 1985 roku, laureaci skupili się na obwodach elektrycznych wykonanych z nadprzewodników. Nadprzewodnictwo, stan materii charakteryzujący się zerowym oporem elektrycznym w niskich temperaturach, wynika z kwantowo-mechanicznych interakcji elektronów. To właśnie w tych obwodach nadprzewodzących trio po raz pierwszy zaobserwowało wyraźne zachowania kwantowe, manifestujące się w zmiennej o skali makroskopowej.
Konkretnie, badali zjawisko par Coopera, gdzie elektrony w nadprzewodniku łączą się i zbiorowo zachowują się jako jedna całość. Tworząc urządzenie znane jako złącze Josephsona – zasadniczo dwa nadprzewodniki oddzielone ultracienką warstwą izolatora – i chłodząc je do ekstremalnie niskich temperatur, byli w stanie zaobserwować tunelowanie kwantowe. Jest to proces, w którym cząstki mogą przechodzić przez bariery energetyczne, które klasycznie byłyby nie do pokonania.
Ponadto, wystawiając złącze Josephsona na promieniowanie mikrofalowe, mierzyli dyskretne, czyli skwantowane, poziomy energii, analogiczne do tych występujących w mikroskopowych atomach. To niezwykłe osiągnięcie doprowadziło do konceptualizacji obwodu nadprzewodzącego jako „sztucznego atomu”. Te sztuczne atomy były makroskopowe, zaprojektowane i stworzone przez ludzi, a co kluczowe, wykazywały właściwości mechaniki kwantowej.
Wpływ i Przyszłe Kierunki
Pionierska praca Clarke’a, Devoreta i Martinisa miała głębokie implikacje. Fundamentalnie udowodniła, że zjawiska kwantowe nie ograniczają się do domeny mikroskopowej i mogą być obserwowane i manipulowane w większych skalach. Praktycznie, stworzenie nadprzewodzących sztucznych atomów otworzyło nowe ścieżki do budowy zaawansowanych maszyn kwantowych poprzez zaawansowane techniki inżynieryjne.
Dalsze badania, opierające się na tych odkryciach, przyniosły znaczący postęp w rozwoju prototypowych komputerów kwantowych wykorzystujących nadprzewodzące obwody kwantowe. Podstawowym budulcem tych procesorów jest nadprzewodzący kubit kwantowy, czyli kubit, który jest zasadniczo sztucznym atomem zawierającym złącza Josephsona. Zdolność do precyzyjnego kontrolowania i mierzenia stanów kwantowych tych kubitów pozostaje kluczowym obszarem bieżących badań w dziedzinie technologii informacji kwantowej.
Ta Nagroda Nobla celebruje zatem badania, które leżą u zbiegu nauk podstawowych i inżynierii stosowanej. Rygorystyczne podejście eksperymentalne laureatów do testowania hipotez mechaniki kwantowej, w połączeniu z ich wizją praktycznych technologii kwantowych, stanowi przykład ducha dociekań naukowych i innowacji, który będzie nadal napędzał postęp w tej dziedzinie.
Źródła
- Nobel Prize in Physics 2025
- John Clarke, UC Berkeley emeritus professor, awarded 2025 Nobel Prize in Physics – Berkeley News
newsblog.pl
Maciej – redaktor, pasjonat technologii i samozwańczy pogromca błędów w systemie Windows. Zna Linuxa lepiej niż własną lodówkę, a kawa to jego główne źródło zasilania. Pisze, testuje, naprawia – i czasem nawet wyłącza i włącza ponownie. W wolnych chwilach udaje, że odpoczywa, ale i tak kończy z laptopem na kolanach.