O połączeniu świata klasycznego ze światem kwantowym: Nagroda Nobla z fizyki
Nagroda Nobla z fizyki w 2025 roku pokazuje, że fundamentalne, precyzyjne eksperymenty dotyczące zachowań kwantowych – nawet te sprzed dziesięcioleci – mogą wymagać długiego okresu oczekiwania, zanim ich pełny wpływ technologiczny stanie się widoczny – mówi prof. dr hab. Armen Sedrakjan z Instytutu Fizyki Teoretycznej UWr.
W tym roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano wspólnie trzem naukowcom: Johnowi Clarke’owi, Michelowi H. Devoretowi i Johnowi M. Martinisowi „za odkrycie makroskopowego tunelowania mechaniczno-kwantowego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym”. Profesor Armen Sedrakjan wyjaśnia nam na czym polegały eksperymenty kwantowe tych badaczy, rozpoczęte już w latach 80-tych XX w. i jakie znaczenie miały dla rozwoju technologii wieku XXI.
John Clarke jest emerytowanym profesorem Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley; jego wczesne prace nad obwodami nadprzewodzącymi i czułymi magnetometrami (SQUID) nawiązują do jego późniejszego wkładu w makroskopowe eksperymenty kwantowe. Michel H. Devoret jest zatrudniony na Uniwersytecie Yale i Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara; aktywnie działa w społeczności zajmującej się sprzętem kwantowym (w tym współpracuje z Google w zakresie sprzętu kwantowego). John M. Martinis jest związany z Uniwersytetem Kalifornijskim w Santa Barbara; wcześniej kierował pracami sprzętowymi w Google Quantum AI, pracując nad rozwojem kubitów nadprzewodzących.
Eksperymenty, które doprowadziły do Nagrody Nobla, wykorzystywały obwody nadprzewodzące oparte na złączach Josephsona, w których element nadprzewodzący jest oddzielony cienką barierą izolacyjną. Wiadomo, że taka konstrukcja umożliwia zjawisko tunelowania, w którym pary elektronów przenikają przez barierę izolacyjną i przeskakują z jednej strony nadprzewodnika na drugą. Laureaci wykazali, że zjawisko to podlega prawom kwantowym, a nie klasycznym, chociaż ich eksperymenty przeprowadzono na bardzo dużej liczbie (miliardach) elektronów – skalach, w których nie oczekujemy zachowań kwantowych.
Mówiąc dokładniej, tunelowanie kwantowe i kwantyzacja energii były dobrze ugruntowane w układach atomowych i subatomowych (np. elektrony w atomach lub studnie potencjału). Jednak w latach 70. XX wieku nie było jasne, czy takie zachowanie kwantowe może przetrwać dekoherencję („destrukcję”) w układach składających się z miliardów cząstek.
Przykładem jest obwód elektryczny wykonany z makroskopowych nadprzewodników, który zawiera miliardy elektronów. Głównym osiągnięciem laureatów było wykazanie, że istnieje wielkość charakteryzująca zachowanie kwantowe w takich obwodach – „nadprzewodząca różnica faz” na złączu Josephsona – która zachowuje się kwantowo-mechanicznie dla bardzo dużej liczby elektronów. Wykazano, że wielkość ta wykazujezachowanie kwantowo-mechaniczne: tuneluje przez bariery energetyczne i zajmuje dyskretne poziomy energetyczne, tj. wykazuje kwantyzację. Zatem ich eksperymenty przeprowadzone w połowie lat 80. XX wieku wykazały, że zjawiska mechaniczne kwantowe – a konkretnie tunelowanie kwantowe i dyskretne poziomy energetyczne – można zaobserwować w obwodach na tyle dużych, że może je obsługiwać człowiek bez żadnego urządzenia. Ich praca łączy świat kwantowy i klasyczny, pokazując, że efekty kwantowe, takie jak tunelowanie, mogą występować w układach składających się z wielu cząstek działających zbiorowo, pod warunkiem odpowiedniej konstrukcji, na przykład w obwodach nadprzewodzących.
W komunikacie prasowym Akademii Nobla zauważa, że klasyczne mikroprocesory już opierają się na mechanice kwantowej (np. tunelowanie w tranzystorach). Dlatego ta nagroda wskazuje na urządzenia oparte na algorytmach kwantowych następnej generacji (komputery, czujniki), które wykorzystują jawnie zachowania kwantowe w obwodach.
***
Prof. dr hab. Armen Sedrakian pełni funkcję zastępcy dyrektora ds. naukowych Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki i Astronomii. Jest specjalistą w dziedzinie fizyki jądrowej i astrofizyki teoretycznej. Opublikował ponad 160 artykułów naukowych, z czego wiele jako pierwszy lub jedyny autor. Jego prace są cytowane na całym świecie i odznaczają się wysokim poziomem oryginalności oraz ścisłym powiązaniem z obserwacjami astrofizycznymi i eksperymentami laboratoryjnymi.
Główne obszary jego badań to: nadciekłość i nadprzewodnictwo w gwiazdach neutronowych, relatywistyczna hydrodynamika i magnetohydrodynamika (MHD), parowanie i kondensacja w materii jądrowej i gazach ultrazimnych, mikrofizyka gwiazd zwartych i zderzeń podwójnych gwiazd neutronowych (BNSM), symulacje chłodzenia gwiazd neutronowych z udziałem egzotycznych cząstek (np. aksjonów).
***
Dodane przez: E.K.
Data publikacji: 10.10.2025 r.
