Spalio 7 d. Švedijos karališkoji mokslų akademija Stokholme 2025 m. Nobelio fizikos premiją skyrė Kalifornijos universiteto Berklyje profesoriui Džonui Klarkui (John Clarke), Jeilio universiteto profesoriui Mišeliui Devoretui (Michel Devoret).Taip pat Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje profesoriui Džonui Martinui (John Martinis) už makroskopinio kvantinio tuneliavimo ir energijos kvantavimo elektros grandinėse atradimus, sukūrusius pagrindą šiuolaikinėms kvantinėms technologijoms – nuo kvantinių kompiuterių iki itin tikslių jutiklių.
Pasak Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto mokslininkės dr. Maženos Mackoit-Sinkevičienės, ši Nobelio premija išsiskiria ne tik savo moksliniu svoriu, bet ir simboline prasme – šiemet sukanka šimtas metų nuo kvantinės fizikos gimimo.
„Ši sritis iš esmės pakeitė mūsų supratimą apie materiją ir jos elgesį, o šių metų laimėtojų darbai prasmingai užbaigia šimtmetį – jie sujungia teorinius kvantinės fizikos pagrindus su technologijomis, leidžiančiomis kvantinius reiškinius valdyti praktikoje.“
Kai dalelės pereina kiaurai sieną
„Kvantinė fizika iš esmės paremta dviem kertiniais sumanymais. Pirmasis – kad dalelės pasižymi dvejopa prigimtimi, vadinamąja bangine-dualine savybe: jos gali elgtis ir kaip dalelės, ir kaip bangos, kurios viena kitą veikia ir interferuoja.
Antrasis – kad jų būsenas galima tiksliai aprašyti matematiškai, pasitelkiant Šriodingerio (Schrödinger) lygtį. Ši teorija graži ne tik matematiškai, bet ir atveria galimybę prognozuoti netikėtus reiškinius, kurių klasikinė fizika paaiškinti negali“, – sako dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.
Anot mokslininkės, vienas įdomiausių kvantinės fizikos reiškinių – kvantinis tuneliavimas. Klasikiniame pasaulyje, jei kamuolys rieda į kalvos šlaitą ir neturi pakankamai energijos jam įveikti, sustoja. Tačiau kvantiniame pasaulyje dalelė gali „prasiskverbti“ pro kliūtį – tarsi kiaurai pereiti per sieną.
Ilgą laiką šis efektas buvo tik teorinis, kol XX a. antroje pusėje mokslininkai sugebėjo jį patvirtinti bandymais. Leo Esaki parodė kvantinį tuneliavimą puslaidininkiuose (tunelinis diodas).
Ivaras Giaeveris – tarp superlaidininkų per ploną izoliatoriaus sluoksnį, o Brianas Josephsonas teoriškai paaiškino šį reiškinį ir numatė srovių tuneliavimą per tokią sandūrą be įtampos. Už šiuos atradimus jie 1973 m. gavo Nobelio fizikos premiją.
Šių metų Nobelio fizikos premija, skirta Dž. Klarkui (J. Clarke), M. Devoretui ir Dž. Martinisui, yra tiesioginė šių ankstesnių darbų tąsa, bet kartu ir revoliucinis proveržis.
Laimėtojai parodė, kad visa makroskopinė schema, t. y. superlaidžioji kvantinė grandinė, gali elgtis kaip viena kvantinė sistema. Ji kolektyviai tuneliuoja tarp skirtingų būsenų ir turi diskrečius energijos lygmenis, kaip atskiros dalelės.
Tai įrodė, kad kvantinė mechanika galioja ne tik mikropasaulyje, bet ir makroskopinėse sistemose, ir suteikė galimybę kurti šiuolaikinius superlaidžių kubitų pagrindu veikiančius kvantinius kompiuterius.
Iš superlaidumo – į kvantinį skaičiavimą
„Būtent šiemet Nobelio premiją pelnę Dž. Klarkas, M. Devoretas ir J. Martinisas gražiausiai parodė, kaip šis reiškinys veikia makroskopiniu mastu. Jie sukūrė ir ištobulino sistemas, kuriose superlaidininkais tekančios dalelės elgiasi kvantiškai, tačiau ne pavieniui, o kaip bendra kolektyvinė sistema.
Šiose sistemose elektronai susiporuoja į vadinamąsias Kūperio (Cooper) poras. Apie jas jau 1957 m. rašė kiti Nobelio laimėtojai – Džonas Bardynas (John Bardeen), Leonas Kūperis (Cooper) ir Džonas Šriferis (John Schrieffer), sukūrę BCS superlaidumo teoriją (už kurią 1972 m. gavo Nobelio fizikos premiją).
Kūperio poros juda be pasipriešinimo ir formuoja vieningą kvantinę būseną – tai reiškia, kad daugybė dalelių elgiasi kaip vienas „kūnas“, – teigia dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.
Nobelio komitetas skelbdamas apdovanojimą pranešė, kad šie tyrimai „sukūrė pagrindą tolesniam kvantinių technologijų vystymuisi“ ir šiandien jau lemia proveržius žinių apdorojimo, kriptografijos bei jutiklių srityse.
Tuo tarpu dr. M. Mackoit-Sinkevičienė pabrėžia, kad viskas, kas buvo matematiškai išvesta, Nobelio premijos laimėtojų darbuose buvo patvirtinta technologiniu lygmeniu.
Kvantiniai reiškiniai, formuojantys naują technologijų epochą
VU mokslininkės tvirtinimu, šiandien šios žinios tapo kvantinių kompiuterių šerdimi. „Kad tokie įrenginiai veiktų, juos reikia atšaldyti iki beveik absoliutaus nulio (t. y. iki maždaug kelių dešimčių milikelvinų temperatūros), nes tik taip išvengiame šiluminio triukšmo ir užtikriname stabilias kvantines būsenas.
Tokiose sistemose naudojamos Džosepsono (Josephson) jungtys – mikroskopiniai barjerai, per kuriuos Kūperio (Cooper) poros tuneliuoja, sukurdamos matuojamą įtampą. Šis procesas leidžia kurti ir valdyti kvantinius bitus, arba kubitus, kurie gali būti ne tik 0 ar 1, bet abiejų būsenų vienu metu.
Tai – viena pirmųjų kvantinių technologijų platformų, pasiūlyta dar XX a. pabaigoje, ir būtent šioje srityje pasiekta didžiausia pažanga: IBM, „Google“ ir kitos kompanijos savo kvantinius procesorius grindžia būtent superlaidžių grandinių principu.
Kartu egzistuoja ir kitos technologijos
Fotoninės sistemos, jonų spąstai, šaltųjų atomų gardelės, kvantiniai deimantai. Vis dėlto būtent ši platforma buvo pirmoji, kuri praktiškai įrodė, kad kvantiniai efektai gali būti valdomi inžinerinėmis priemonėmis“, – pasakoja dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.
Jos įsitikinimu, šių metų Nobelio laimėtojai parodė, kad riba tarp klasikinės ir kvantinės fizikos nyksta. „Kvantiniai efektai dabar stebimi vis didesniuose, sudėtingesniuose daiktuose, o tai, kas prieš kelis dešimtmečius atrodė tik teorinė egzotika, tapo pagrindu visai naujai technologinei epochai.
Jų atradimai atvėrė kelią šimtams tyrimų grupių ir startuolių, kuriančių praktinius kvantinės fizikos taikymus – nuo itin tikslių matavimų iki žinių saugumo ir skaičiavimo revoliucijos.“
