Příběh zatím: Kvantová mechanika říká, že částice mohou někdy překročit bariéry, které nemají energii k stoupání, jako by to bylo nudné přes horu místo toho, aby ji nejprve škálovaly. Tento proces, nazývaný tunelování, je běžný v jaderné a atomové fyzice. Laureáti Nobelovy ceny 2025 Physics John Clarke, Michel a John Martinis ukázali, že k takovému chování může dojít nejen u subatomických částic, ale také v elektrickém obvodu vyrobeném ze supravodičů. Zjištění otevírá dveře novým technologiím nastaveným tak, aby transformovala způsob, jakým shromažďujeme, studujeme, rozumíme a používáme informace z našeho okolí.
Co je to Josephson Junction?
Základní jednotkou oceněných experimentů, které provedl trio, je zařízení zvané Josephson Junction. Zde jsou dva supravodiče odděleny velmi tenkým izolátorem. Trio chtělo vědět, zda by parametr obvodu jako celku, v tomto případě fázový rozdíl křižovatky, se mohl chovat jako jediná kvantová částice. Odešli ze svých experimentů s výrazným „ano“, pozorováním jak makroskopického kvantového mechanického tunelování, tak diskrétních energetických hladin v obvodu.
Schematické ilustraci jediného Josephsonova křižovatky. A a B jsou dva supravodiče; C je ultrathin izolátor. | Foto kredit: Miraceti (CC by-SA)
V supravodiči se mnoho elektronů spáruje a pohybuje se bez odporu. Ve spojení Josephson je příslušnou proměnnou fázovým rozdílem parametru supravodivého pořadí. Jinak řečeno, parametr supravodivého pořadí je makroskopická proměnná, že biliony elektronových párů ve sdílení materiálu a který popisuje stav, ve kterém je systém, teorie předpovídá, že proud prostřednictvím křižovatky závisí na hodnotě parametru a že fázový rozdíl se včas vyvíjí v čase.
Když vědci poslali proud přes křižovatku Josephson, zjistili, že pokud byl dostatečně malý, byl tok párových elektronů zastaven a obvod nevyvolával žádné napětí. V klasické fyzice by se tento stav nikdy nezměnil: tok elektronů by zůstal blokován. Ale v kvantovém světě má proud malou šanci, že se náhle vynechá z pasti a volně plyne na druhé straně, čímž se vytvoří měřitelné napětí.
Proč byl obvod křehký?
Na začátku 80. let několik skupin hledalo toto tunelování změnou proudu a zaznamenáním hodnoty, při které křižovatka vytvořila napětí. Pokud se páry elektronů jednoduše unikly na druhou stranu kvůli tepelným výkyvům – podobné tomu, aby byly dostatečně zahřívány, aby skočily na horu – chlazení zařízení by mělo neustále zvyšovat množství proudu potřebného k vytvoření napětí. Na druhou stranu, pokud by se páry elektronů procházely, rychlost přechodu by se nakonec přestala měnit s teplotou.
Jednoduché, i když bylo nastavení, bylo výzvou udržet bludný mikrovlnný záření ovlivnit obvod a produkovat data v souladu s chováním nezávislým na teplotě. Experimentátoři tedy potřebovali snížit a charakterizovat hluk z životního prostředí s velkou péčí.
Tým Berkeley vedený Clarkem, který pracoval s Deveretem a Martinisem, tento problém vyřešil přepracováním jejich nastavení, takže zbloudilé signály nemohly zasahovat. Použili speciální filtry a stínění, aby blokovali nežádoucí mikrovlny a udržovali každou část experimentu extrémně chladnou a stabilní. Poté poslali slabé, ale přesně naladěné mikrovlnné impulsy, aby jemně testovali, jak obvod reagoval, což jim umožnilo přesně měřit jeho elektrické vlastnosti. Když konečně ochladili systém na velmi nízké teploty, viděli, že jeho chování odpovídá přesným vzorcům předpovídaným teorií kvantové tunelování.
Jak obvod vykazoval kvantové účinky?
Vědci také chtěli zjistit, zda se zachycený stav obvodu choval jako kvantový systém s odlišnými energetickými kroky – charakteristickým znakem kvantového stavu – namísto hladkého dosahu. Při úpravě proudu zářily mikrovlny různých frekvencí na křižovatku. Když frekvence přesně odpovídala mezeře mezi dvěma povolenou energetickou úroveň, obvod náhle unikl snadněji ze svého uvězněného stavu. Čím vyšší je úroveň, tím rychleji se tento únik stal. Tyto vzorce ukázaly, že celkový stav obvodu mohl přijímat nebo emitovat pevné pakety energie, což je také to, jak by se chovala jediná částice podle pravidel kvantové mechaniky. Stručně řečeno, obvod jako celek se choval jako atom.
Výsledky, výsledky odhalily dvě fakta. Za prvé, makroskopický elektrický obvod – který jste mohli vidět pouhým okem – by mohl vykazovat kvantové chování, když je dostatečně izolován z jeho prostředí. Za druhé, příslušné makroskopické souřadnice v tomto obvodu lze pochopit pomocí standardních nástrojů kvantové mechaniky.
Co se děje uvnitř supravodiče? | Foto kredit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Tyto experimenty také poukazovaly na praktickou cestu pro kontrolu a „čtení“ makroskopických kvantových stavů-v tomto případě pomocí předpětí, slabých mikrovln a dostatečnou ochranu, aby chránily obvod před vnějším zářením-ta, která dala pole pro provést spolehlivá kvantová měření v zařízeních s pevným prostranstvím. Následná práce v 90. a 2000. letech tyto myšlenky rozšířila, rozvíjela supravodivé qubits, vložila je do mikrovlnných rezonátorů a zlepšovala jejich soudržnost (tj. Jejich schopnost udržovat jejich kvantové stavy, aniž by byly zničeny hlukem).
Jaké jsou aplikace této práce?
Technologické aplikace plynou ze stejné fyziky. Okruh s josephsonovou křižovatkou může být vytvořen, aby napodobil kvantizovanou energetickou hladinu atomu; Mikrovlny by mohly řídit obvod, aby skočil mezi těmito energetickými hladinami; a pečlivé spojení obvodu k rezonátoru by mohlo operátorovi umožnit měřit změny v obvodu bez jeho narušení. Tato architektura, známá jako kvantová elektrodynamika obvodu, je základem mnoha dnešních supravodivých kvantových procesorů.
(Rezonátor je jako ozvěna komora pro mikrovlny. Když je obvod spojen s rezonátorem, mohou si tyto dva ovládat energii, což vědcům umožňuje nepřímo měřit stav obvodu pozorováním změn v chování rezonátoru.)
Supravodivé obvody, které využívají makroskopické kvantové účinky, jsou nyní ústřední pro několik vznikajících technologií. Jsou to kvantové zesilovače, které zvyšují extrémně slabé signály bez přidání šumu – užitečná schopnost v diagnostice stejně jako vyhledávání temné hmoty. Používají se k měření proudu a napětí s mimořádnou přesností. Mohou to být mikrovlnná trouba-optická měniče, které spojují kvantové procesory s optickými sítěmi. Jsou to komponenty v kvantových simulátorech používaných k modelování komplexních materiálů nebo dokonce atom chemických reakcí atomem.
Nakonec jsou tato zařízení užitečná, protože rozdíl ve fázi obvodů a superkurrent reagují na i malé vnější vlivy velkými měřitelnými změnami. Práce Laureates změnila tuto chybu na funkci.
Publikováno – 7. října 2025 17:24
