Letošní cena Nobelovy fyziky ukázala, že kvantová mechanika je velká věc – doslova

V úterý obdržela pole kvantové mechaniky promyšlené 100. birthday přítomnost Z Královské švédské akademie věd: Tři nové lesklé medaile, 11 milionů švédských koronií (aby se rovnoměrně rozdělili) a vychvalování práv na teorii, která pracuje ve všech stupnicích.

The 2025 Nobelova cena za fyziku Šel na John Clarke, Michel Deveret a John Martinis za výzkum provedený před 40 lety na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Tam se trio ponořilo do ultracold elektroniky, aby ukázalo, že nešťastné kvantové účinky mohou být vyrobeny makroskopické a kontrolované.

Často se říká, že kvantová mechanika popisuje pouze podivné chování velmi malých věcí. Elektrony neobsahují atomovo jádro v dobře definovaných smyčkách; Spíše existují jako mlhavý oblak pravděpodobnosti. Na této kvantové úrovni může rozmazaná částice někdy „tunel“, pravděpodobně procházet bariérami, neměla by mít energii k překonání. To vše je v rozporu s naší klasickou zkušenostíVe kterých planetách mají dobře definované oběžné dráhy a koule se odrazí nebo jdou přes stěny, než aby se skrze fáze.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.

Clarke, Deveret a Martinis ukázali, že obvod viditelný pro neobezené oko by mohl udělat klasicky nemožný: ne jeden, ale asi 100 kvadrilionových elektronů by mohlo společně tunel ve svých hranicích. „Je to redefinice toho, co máme na mysli kvantovou fyzikou,“ říká Alexandre Blais, kvantový fyzik na University of Sherbrooke v Quebecu. „Pokud se postavíte do správných podmínek, objeví se kvantové efekty.“

Základní objev také připravil cestu k praktickým aplikacím. „Je to opravdu začátek kvantového elektrotechniky,“ říká Steven Girvin, fyzik na Yale University. Vědci od té doby použili obvody inspirované prací tria pro simulaci atomů a snímání jinak nezjistitelné částice. A v těchto dnech jsou obvody možná nejlépe známé pro to, že jsou qubits, stavební blok kvantových počítačů – aplikace, která byla do značné míry neomezena Nobelovým výborem pro fyziku.

Vize tunelu

Pokud jste měli velikost protonu, mohli byste provést úhledný kvantový párty trikem tím, že se tunelují přes zeď o 10 000krát silnější než vy a vynořující se nerušeně.

„Je tu tajemství,“ říká Girvin. „Proč je to, že malé věci vypadají kvantové mechanické a velké věci, jako jsou fotbalové míče a satelity a planety, dodržují zákony klasické mechaniky?“ Odpověď, generace kvantových fyziků, vypracovala, má co do činění s hlukem životního prostředí. Jednotlivá částice může najít určitý mír; Billion miliard je jako jáma Mosh. Zvyšte počet částic a máte tendenci skartovat jemné kvantové podmínky, činit věci klasické a proměnit váš trik na nástěnné tunelingu na návštěvu nemocnice.

Existují způsoby, jak zůstat kvantum i v makroskopickém měřítku. V supravodičích, jako jsou multitonové magnety uvnitř strojů pro magnetickou rezonanci (MRI), jsou elektrony ochlazovány pod kritickou teplotou. V tomto mrazivém stavu se elektrony stávají natolik stěžovateli, aby se vzdali svého obvyklého odporu a tření bez tření.

V roce 1981 však bylo stále nejasné, zda by mohly být také makroskopické kvantové systémy vloženy do superpozice nebo kombinace odlišných stavů. Jinými slovy: Mohlo by se velké množství elektronů chytit mezi „mrtvými“ a „naživu“ jako Erwin Schrödinger hypotetický kočka? Dva teoretičtí fyzik, Tony Leggett a Amir Caldeira, tehdy na University of Sussex v Anglii, si uvědomili, že hledání kvantového tunelování v supravodivém obvodu může být ideálním způsobem, jak na tuto otázku odpovědět.

Během několika příštích let se skupiny v IBM a Bell Labs pokusily zjistit makroskopické tuneling ve zařízeních zvaných Josephson křižovatky, což jsou obvody vyrobené ze dvou supravodičů oddělených tenkou izolační bariérou. (Zařízení jsou pojmenována pro Briana Josephasona, který vyhrál část fyziky z roku 1973 za jeho práci na systému.) Elektrony mohou být ve dvou státech: mohou být blokovány bariérou, zaznamenávají nulové napětí, nebo ji mohou vyčistit, čímž generují nenulové napětí. Tyto dva stavy odpovídají nešťastnému kočičímu neurčitému živému nebo mrtvému ​​stavu v původním myšlenkovém experimentu Schrödingera. „Je to opravdu superpozice“ kočky “ – mrtvá nebo živá,“ říká Caldeira, která je nyní na University of Campinas v Brazílii.

Problém je v tom, že pouze detekce napětí neznamená, že existuje tunelování. Elektrony mohou také vyčistit bariéru klasickým způsobem, s nohou nahoru z náhodné tepelné energie, místo toho, aby se skrze tunely. Nelze eliminovat možnost tepelného šumu ani při teplotách jednoho Kelvina (tj. Jen o jeden stupeň výše Absolutní nula), týmy v IBM a Bell Labs nemohly definitivně tvrdit, že viděli makroskopické tuneling.

Vychladnout to

Aby se splnila výzva Leggett a Caldeiry, skupina Berkeley šla do velké míry, aby izolovala svůj systém od prostředí tím, že na konci trubice plného šťoupovaného mědi položila šťouchnutí. Pak ochladili jejich křižovatku Josephson na 0,01 Kelvina.

S jejich zařízením chlazeným a izolovaným řídili proud v obvodu a změřili napětí. Opakované testy ukázaly, že elektrony prošly bariérou, i když tepelný šum v podstatě zmizel. Clarke, Deveret a Martinis měli přesvědčivý důkaz, že makroskopické kvantové předměty, jako je množství elektronů, by také mohly tunel.

Když Schrödinger navrhl svůj myšlenkový experiment v roce 1935, myslel to jako kritiku zdánlivě paradoxních závěrů, které kvantová mechanika o klasickém světě předpokládá. Na rozdíl od částice v superpozici nemohla kočka ve skutečnosti rozmazaná mezi „mrtvými“ a „naživu“. Jakýkoli zmatek o stavu kočky by mohl být řešen přímým měřením. „To nám brání v tak naivně přijímání jako platný“ rozmazaný model „pro reprezentaci reality,“ napsal Schrödinger v té době, podle a Překlad fyzika Johna D. Trimmer. „Existuje rozdíl mezi roztřesenou nebo mimostředivou fotografií a snímkem mraků a mlhových bank.“

Clarke, Deveret a Martinis ukázali, že i makroskopická realita může být rozmazaná, pokud je chráněna před přímým kontaktem s širším prostředím. Izolací jejich elektronů z hluku a pobytu při ultralehkových teplotách byli schopni přinést mlhavou neurčitost kvantové mechaniky do obvodu, který by mohl držet v dlani ruky. „Je to kvantová mechanika.“ nahoru“Říká Girvin.

Jistič

Objev skupiny Berkeley také měl druhou součást. Tím, že zářící mikrovlny na správné frekvenci na obvodu zjistili, že emitovala a absorbovala energii v diskrétních „kvantizovaných“ kusech (charakteristický znak kvantových systémů, ale nikoli klasických objektů). Tento druh kvantizovaného systému zjistil řadu použití, jako jsou modelování atomů.

Na povrchu nevypadá supravodivý obvod nic jako atom, který je více než milionkrát menší. Ale v zásadě sdílí stejnou fyziku přechodu atomu mezi pozemními a vzrušenými státy. V posledních letech vědci použili tento koncept umělého atomu k navrhování a studiu všech druhů nových atomových systémů.

Citlivost obvodů z nich také činí ideální detektory pro jemné jevy, které uvolňují mikrovlny. Během posledního desetiletí byli začleněni do hledání Hypotetické částice temné hmoty zvané Axions—Clarke je ve skutečnosti spolupracovníkem jednoho takového projektu, experimentu s tmavou hmotou Axion. „To nebyl cíl“ skupiny Berkeley, říká Blais. „Ale to je krása základní vědy. Máte překvapení.“

Po průlomu tria v polovině 80. let se v příštím desetiletí zlepšily návrhy obvodů, takže do roku 1999 by se fyzik v Nippon Electric Company v Japonsku mohl pochlubit vytvořením supravodivého obvodu, který rychle a spolehlivě osciloval mezi dvěma energetickými hladinami-což nyní nazýváme qubit. Supravodivé obvody jsou jednou z předních architektur pro kvantové počítače, které používají společnosti jako Google a IBM a vědci po celém světě. Zejména Martinis je známý pro práci s týmem na Googlu pomocí takových qubits Rekordní kvantové počítače.

Společnost Quantum Computing, podporovaná touto šílenstvím výzkumné činnosti, získala obrovské a stále rostoucí množství publicity a financování, protože společnosti a země se snaží tuto technologii využít. Nadhodnocené tvrzení jsou nekontrolovatelnéV mnoha případech se vrhá do neopodstatněné nadsázky. Kvantové počítače ve skutečnosti neřeší změnu klimatu.

Takže to přišlo jako překvapení, když se Nobelový výbor pro fyziku vyhýbal téměř všem zmínku o kvantovém počítači během oznámení letošní fyzické ceny. V oficiálních vědeckých základních informacích oznámení obdržela téma pouze dvě zmínky. Pečlivá disciplína zprávy výboru se vyplatila a titulky novinek se více zaměřily na základní fyziku a méně na bzučivou aplikaci.

Pro mnoho fyziků byla absence humbuku úlevou a snižováním kvantového výpočtu rozumnou volbu. „Můžete plně ospravedlnit důležitost tohoto experimentu bez těchto praktických důsledků,“ říká Girvin. Koneckonců, „Ještě nevíme, jak bude praktická kvantová výpočetní technika.“