Laureaci wykorzystali serię eksperymentów, aby wykazać, że właściwości świata kwantowego można urzeczywistnić w układzie na tyle dużym, że można go trzymać w dłoni. Ich nadprzewodzący układ elektryczny mógł tunelować z jednego stanu do drugiego, tak jakby przechodził przez ścianę. Wykazali również, że układ absorbował i emitował energię w dawkach o określonych rozmiarach, zgodnie z przewidywaniami mechaniki kwantowej.
Eksperymenty pokazały fizykę kwantową w działaniu
Mechanika kwantowa opisuje właściwości istotne w skali obejmującej pojedyncze cząstki. W fizyce kwantowej zjawiska te nazywane są mikroskopowymi, nawet jeśli są znacznie mniejsze niż te widoczne pod mikroskopem optycznym. Kontrastuje to ze zjawiskami makroskopowymi, które składają się z dużej liczby cząstek.
Przykład? Zwykła piłka zbudowana jest z astronomicznej liczby cząsteczek i nie wykazuje efektów mechaniki kwantowej. Wiemy, że piłka odbija się, gdy zostanie rzucona o ścianę. Natomiast pojedyncza cząstka czasami przechodzi przez barierę w swoim mikroskopijnym świecie – tworząc jakby mikroskopijny tunel – i pojawia się po drugiej stronie. To zjawisko mechaniki kwantowej nazywa się tunelowaniem.
Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana za eksperymenty, które wykazały, że tunelowanie kwantowe można obserwować w skali makroskopowej. Laureaci zademonstrowali w tej skali nie tylko tunelowanie, ale i skwantyzowane poziomy energii.
W latach 1984 i 1985 John Clarke, Michel Devoret i John Martinis przeprowadzili na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley serię eksperymentów z obwodem elektronicznym zbudowanym z nadprzewodników – elementów, które mogą przewodzić prąd bez oporu elektrycznego. Elementy nadprzewodzące były oddzielone cienką warstwą materiału nieprzewodzącego, tworząc tzw. złącze Josephsona. Mierząc właściwości obwodu badacze kontrolowali i badali zjawiska zachodzące podczas przepuszczania przez ten obwód prądu. Wszystkie naładowane cząstki poruszające się w nadprzewodniku zgodnie tworzyły układ, który zachowywał się tak, jakby były one pojedynczą cząstką wypełniającą cały obwód.
Ten makroskopowy układ znajdował się początkowo w stanie, w którym prąd płynie bez napięcia. Uwięziony, niczym za barierą. W eksperymencie wykazał jednak swój kwantowy charakter, wykorzystując tunelowanie do wyjścia ze stanu zerowego napięcia, generując napięcie elektryczne.
Laureatom udało się również wykazać, że układ jest skwantyzowany, czyli, że pochłania lub emituje energię tylko w określonych ilościach.
Jubileuszowo i zgodnie z założeniem fundatora
Rok 2025 – z okazji setnej rocznicy powstania mechaniki kwantowej – został ogłoszony przez ONZ Międzynarodowym Rokiem Nauki Kwantowej. Nagroda Nobla wpisuje się w to święto.
– Wspaniale jest móc świętować to, jak licząca sobie sto lat mechanika kwantowa nieustannie oferuje nowe niespodzianki. Jest to również niezwykle przydatne, ponieważ mechanika kwantowa stanowi fundament wszelkich technologii cyfrowych – mówił Olle Eriksson, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki.
Co więcej badania wyróżnione Noblem wypełniają wolę fundatora.
– Jako eksperymentator bardzo się cieszę, że Nobel z fizyki to Nobel eksperymentalny. Pokazuje, co możemy osiągnąć na poziomie kwantowym, ale w szczególności – co pokazali nobliści – że możemy przenosić laboratorium do normalnego świata. Oni dowiedli, że możemy tworzyć układy elektroniczne wykorzystując kwantowe efekty. Nagroda Nobla miała być przyznawana zawsze za wykazanie, że coś służy ludzkości, te badania są zgodne z tą definicją – mówi fizyk, dr hab. Maciej Molas, prof. ucz. z Uniwersytetu Warszawskiego.
Naukowcy UW komentują i wyjaśniają
– To nagroda za elektronikę kwantową, czyli zbudowanie obwodów elektrycznych, które są tak skonstruowane, żeby maksymalnie wykorzystać właściwości kwantowe materii, w szczególności nadprzewodnictwo (które jest efektem kwantowym, a które możemy obserwować w makroskali) i obwody, w których prąd będzie płynął w sposób skwantowany, czyli w kwantach, a więc w pewnych porcjach – podsumowuje prof. dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański, fizyk z Uniwersytetu Warszawskiego.
Odkrycie nowych noblistów można wykorzystywać w różnych zastosowaniach.
– Jednym z zastosowań są bardzo czułe mierniki pola magnetycznego, bo układy nadprzewodzące niesłychanie silnie reagują na pole magnetyczne. Jeśli pojawi się maluteńka zmiana pola, nadprzewodnik reaguje w sposób szalony. Najdokładniejsze magnetometry, czyli urządzenia do pomiaru pola magnetycznego, tzw. squidy, to urządzenie oparte na obwodach nadprzewodzących – tłumaczy prof. Demkowicz-Dobrzański.
– Drugie, ostatnio bardzo medialne, zastosowanie to wykorzystanie takich układów elektronicznych do obliczeń. Ponieważ są to układy kwantowe, można pokusić się o próbę wykonywania tzw. obliczeń kwantowych. Możemy przygotować tzw. kubit, czyli kwantowy odpowiednik bitu, który używamy w normalnych komputerach, po to, żeby przetwarzać informacje w sposób kwantowy, czyli wiele danych naraz na układach kwantowych – przynajmniej teoretycznie. W praktyce próbujemy to robić. Jeden z nagrodzonych, John Martinis jest liderem grupy, która buduje procesory kwantowe w Google’u. Mają bardzo duże osiągnięcia, ale mimo że to szczyt inżynieryjnych działań, nie doprowadziły one jeszcze do zbudowania komputera kwantowego, który by rzeczywiście był użyteczny do jakichś zastosowań – dodaje badacz.
Urządzenia do pomiarów pola magnetycznego używane są wszędzie, gdzie ten pomiar pola musi być bardzo precyzyjny, np. w medycynie, kiedy próbujemy monitorować działanie mózgu.
– W nauce pola magnetyczne generalnie mierzymy non stop, bo pole daje nam informacje o prądzie płynącym w układzie, o stanach atomów, które mierzymy. Jest to kluczowy nośnik informacji dla fizyków – dodaje naukowiec.
Pomiar pola to nie jedyne – w szerszym kontekście – powiązanie uniwersyteckiej fizyki z odkryciami nagrodzonymi Noblem. Kropki kwantowe, manipulowanie układami kwantowymi, które mogą służyć jako sensory, pamięć kwantowa, chmury atomowe – to zjawiska, z którymi pracują naukowcy na UW.
– Kropki kwantowe mogą nam służyć jako kubity. Można je traktować jako sztuczne atomy, które można wprowadzać w różne stany kwantowe i używać ich, żeby coś liczyć albo jako źródeł pojedynczych fotonów, co jest bardzo cenne, bo mało jest źródeł światła, które emitują tyle fotonów, ile chcemy, często to nieprzewidywalne – mówi prof. Demkowicz-Dobrzański.
– Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki stworzyła możliwości rozwoju nowej generacji technologii kwantowej, w tym kryptografii kwantowej, komputerów kwantowych i czujników kwantowych. Tranzystory w mikroprocesorach komputerowych są jednym z przykładów ugruntowanej technologii kwantowej, która nas otacza – czytamy w komunikacie Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk.
Kilka słów o laureatach
John Clarke urodził się w 1942 roku w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W 1968 roku na Uniwersytecie Cambridge zrobił doktorat. Obecnie jest profesorem na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w USA.
Michel H. Devoret, urodzony w 1953 roku w Paryżu we Francji. Doktorat w 1982 roku na Uniwersytecie Paris-Sud we Francji. Obecnie – profesor na Uniwersytecie Yale w New Haven, Connecticut i Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara w USA.
John M. Martinis urodził się w 1958 roku. Doktorat – w 1987 roku – zrobił na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, USA. Obecnie – profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, w USA.
Nagroda – 11 milionów koron szwedzkich – zostanie podzielona po równo między laureatów.
Noble z fizyki, które zmieniły świat
Promieniowanie rentgenowskie – 1901, Niemcy
Pierwszym laureatem Nobla w dziedzinie fizyki został Wilhelm Conrad Röntgen. Jego odkrycie promieniowania X otworzyło nową epokę w diagnostyce medycznej. Po raz pierwszy możliwe stało się zajrzenie do wnętrza ludzkiego ciała bez interwencji chirurgicznej. Rentgeny błyskawicznie trafiły do szpitali i na fronty I wojny światowej, gdzie ratowały życie żołnierzy. Do dziś diagnostyka obrazowa – w dużej części – opiera się na odkryciu Röntgena.
Fale radiowe – 1909, Włochy
Guglielmo Marconi i Karl Ferdinand Braun zostali wyróżnieni za rozwój bezprzewodowej telegrafii. To odkrycie umożliwiło komunikację na odległość bez przewodów, kładąc fundamenty pod radio, telewizję, a w dalszej perspektywie także telefony komórkowe i internet bezprzewodowy.
Tranzystor i półprzewodniki – 1956, USA
John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley zostali nagrodzeni za odkrycie efektów półprzewodnikowych i skonstruowanie tranzystora. Wynalazek zapoczątkował erę elektroniki – bez niego nie byłoby komputerów, internetu, smartfonów ani nowoczesnej medycyny cyfrowej. To odkrycie pośrednio zmieniło życie praktycznie wszystkich ludzi na świecie, czyniąc technologię powszechną i bardziej dostępną.
Laser – 1964, USA i ZSRR
Nagrodę otrzymali Charles Townes, Nicolay Basov i Aleksander Prochorow za prace nad kwantową elektroniką, które doprowadziły do powstania lasera. Gdy pierwsze lasery zaczęły działać w latach 60., wielu naukowców nie wiedziało, do czego mogą się przydać – żartowano wręcz, że to „rozwiązanie bez problemu”. Szybko okazało się jednak, że mają ogromny potencjał: od operacji okulistycznych, przez odtwarzacze CD, po internet światłowodowy. W medycynie ratują wzrok, w technologii umożliwiają szybki przesył danych.
Rezonans magnetyczny (MRI) – 2003, USA i Wielka Brytania
Paul Lauterbur i Peter Mansfield otrzymali Nobla za rozwój obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Dzięki nim możliwe stało się tworzenie precyzyjnych obrazów tkanek miękkich, co zrewolucjonizowało diagnostykę nowotworów, chorób serca, stawów czy obserwacje w trakcie leczenia ortopedycznego lub neurochirurgicznego. MRI uratowało zdrowie i życie milionom pacjentów, dziś jest rutynowym badaniem.
Jutro zostaną przyznane Nagrody Nobla z chemii. Trwa Tydzień Noblowski UW.
Link do strony wydarzenia: cwid.uw.edu.pl/inicjatywa-uw/tydzien-noblowski-uw
Link do transmisji: www.youtube.com/live/gW_i8_kGsu8
