Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki trafiła do trzech naukowców: Johna Clarke’a, Michela H. Devoreta i Johna M. Martinisa. Ich przełomowe eksperymenty pokazały, że zaskakujące właściwości mechaniki kwantowej mogą być obserwowane w systemach o rozmiarach makroskopowych - takich, które mieszczą się na powierzchni niewielkiego układu elektronicznego. Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła, że wyróżnia ich za "przełomowe odkrycia dotyczące makroskopowego tunelowania kwantowego oraz kwantyzacji energii w obwodach elektrycznych".

Zobacz również:

Tunelowanie kwantowe - "niemożliwe" staje się możliwe

Mechanika kwantowa opisuje świat w skali atomowej i subatomowej, gdzie rządzą prawa zupełnie odmienne od tych, które znamy z codzienności. W świecie kwantów cząstki mogą znajdować się w kilku stanach jednocześnie, a ich zachowanie często wydaje się sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Przykładem jest właśnie zjawisko tunelowania kwantowego, w którym cząstka potrafi "przeskoczyć" przez barierę energetyczną, mimo że - według klasycznych praw fizyki - nie powinno to być możliwe.

Do tej pory takie efekty obserwowano wyłącznie w mikroskali, na poziomie pojedynczych cząstek. Jednak zespół Clarke’a, Devoreta i Martinisa udowodnił, że kwantowe osobliwości mogą pojawiać się także w systemach składających się z miliardów cząstek - i to w urządzeniach, które można wziąć do ręki.

Nadprzewodniki i pary Coopera

W latach 80. na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley powstał zespół, który postawił sobie za cel zbadanie, czy zjawiska kwantowe mogą manifestować się w większej skali. John Clarke, profesor i specjalista od nadprzewodnictwa, zaprosił do współpracy Michela Devoreta, młodego naukowca z Paryża, oraz doktoranta Johna Martinisa. Ich narzędziem stał się układ zbudowany z dwóch nadprzewodników, oddzielonych cienką warstwą izolatora - tzw. złącze Josephsona.

Nadprzewodniki to materiały, w których prąd może płynąć bez żadnego oporu. Elektrony w takich warunkach łączą się w tzw. pary Coopera, które zachowują się jak jedna, zsynchronizowana całość. To właśnie te pary stały się przedmiotem eksperymentu. Naukowcy wykazali, że cały układ - złożony z miliardów par Coopera - może zachowywać się jak pojedyncza cząstka kwantowa, a jego stan opisywany jest wspólną funkcją falową.

Kolejna generacja technologii przed nami

W naszym makroskopowym świecie, gdy wyobrazimy sobie piłkę odbijającą się od ściany, nie ma szans, by nagle znalazła się po drugiej stronie przeszkody. Tymczasem w świecie kwantów cząstka może "przetunelować" przez barierę i pojawić się tam, gdzie nie powinna. Eksperyment laureatów Nobla pokazał, że podobne zjawisko może zajść w układzie makroskopowym: cały prąd nadprzewodzący "przeskakuje" z jednego stanu do drugiego, generując mierzalne napięcie. Co więcej, system ten nie pochłania i nie emituje energii w sposób ciągły, lecz w ściśle określonych porcjach - kwantach, zgodnie z przewidywaniami mechaniki kwantowej.

Odkrycia Clarke’a, Devoreta i Martinisa mają ogromne znaczenie zarówno dla zrozumienia podstaw fizyki, jak i dla rozwoju nowych technologii. Rzeczywiście, otaczają nas już urządzenia, które nie mogłyby istnieć bez kwantowych zjawisk - wystarczy wspomnieć o tranzystorach w mikroprocesorach komputerowych. Jednak tegoroczne odkrycia otwierają drzwi do kolejnej generacji technologii: komputerów kwantowych, kwantowej kryptografii czy zaawansowanych czujników kwantowych. To właśnie dzięki takim badaniom możemy spodziewać się rewolucji w dziedzinie przetwarzania informacji, bezpieczeństwa danych czy precyzyjnych pomiarów.

Opracowanie: