Nobel z fizyki dla trzech naukowców za przełomowe odkrycia

Trzej naukowcy z amerykańskich uczelni, John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis, zostali tegorocznymi laureatami Nagrody Nobla z fizyki. Ich praca w dziedzinie mechaniki kwantowej została doceniona przez Komitet Noblowski.

Nagroda, której wartość wynosi 11 mln koron szwedzkich, zostanie podzielona równo między laureatów.

Naukowcy zostali wyróżnieni za odkrycie makroskopowego kwantowego tunelowania mechanicznego oraz kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym. Dzięki ich pracy możliwy jest rozwój technologii kwantowej, w tym komputerów kwantowych, kwantowej kryptografii i czujników kwantowych.

Wcześniej tunelowanie i kwantyzacja energii były badane w układach składających się z zaledwie kilku cząstek.

W badaniach noblistów zjawiska te pojawiły się w układzie mechaniki kwantowej z miliardami par Coopera (pary elektronów o jednakowych, lecz przeciwnie skierowanych pędach i spinach), które wypełniały cały nadprzewodnik na chipie. W ten sposób badacze przenieśli efekty mechaniki kwantowej ze skali mikroskopowej do makroskopowej.

Bariera energetyczna działa jak mur, przez który cząstka nie powinna przejść. W mechanice kwantowej taki mur nie jest nieprzenikniony – cząstka może go pokonać za pomocą tunelowania, przenosząc się na drugą stronę bez bezpośredniego przebicia. Kwantyzacja energii oznacza z kolei, że energia zmienia się nie płynnie, lecz w dyskretnych porcjach, przypominających stopnie drabiny. Wyzwanie polega na tym, że w większych systemach te efekty tracą na znaczeniu pod wpływem zasad klasycznej fizyki.

W latach 80. laureaci Nagrody Nobla pracowali z obwodami zbudowanymi z nadprzewodników – materiałów, które przewodzą prąd bez strat energii. Stworzyli układ z elementem zwanym złączem Josephsona: cienką warstwą izolacyjną między nadprzewodnikami. Przepuszczając przez niego prąd, zaobserwowali, jak cały obwód – wielkości chipa – działa jak pojedyncza duża cząstka. Prąd pozostawał w stanie bez napięcia, po czym nagle przeniósł się na drugą stronę bariery, tworząc napięcie. Precyzyjne pomiary potwierdziły, że energia zmienia się w kwantowych skokach. W ten sposób efekty kwantowe, wcześniej ograniczone do mikroskopijnych eksperymentów, stały się widoczne w układzie, który można trzymać w dłoni.

Mechanika kwantowa stanowi podstawę współczesnej elektroniki. Bez niej nie istniałyby tranzystory w mikroprocesorach, które umożliwiają działanie smartfonów i komputerów. Praca laureatów toruje drogę do nowych technologii: komputerów kwantowych, rozwiązujących skomplikowane zadania – takie jak modelowanie cząsteczek do projektowania leków – w bardzo krótkim czasie; kryptografii kwantowej, zapewniającej wyższy poziom bezpieczeństwa danych; oraz sensorów kwantowych, zwiększających dokładność w medycynie, nawigacji i wykrywaniu zagrożeń.