2025 Nobelova cena ve fyzice jde vědcům, kteří do světa makrocale přinesli kvantovou mechaniku

Nobelova cena za fyziku 2025 jde vědcům, kteří ukázali kvantové tunelování na čipu

Podle Lee Billings editoval A Vergano

V 100. výročí Rok kvantové mechaniky, který popisuje vesmír v nejmenším, nejzákladnějším měřítku, 2025 Nobelova cena ve fyzice přišel na tři průkopníky, aby přinesl své záhadné účinky do každodenního světa.

Kvantická mechanika, která byla ctěna jako jedna z nejúspěšnějších vědeckých teorií v historii, je klíčem k většině dnešních transformačních technologií, od superpočítačů po chytré telefony. Teorie je také notoricky známá svými mnoha kontraintuitivními zjeveními: částice mohou být také vlny, mohou existovat současně v superpozicích více zdánlivě protichůdných stavů a ​​mohou mít své vlastnosti dokonale korelované – zatahované – takže jsou spojeny bez ohledu na to, jak jsou odděleny. Letošní Nobelova cena ve fyzice, která se hodí k stoletému milníku, byla udělena třem vědcům – John Clarke, Michel H. Deveret a John M. Martinis -, kteří přinesli další bizarní mikroskopický kvantový efekt, nazývaný, nazývaný, nazývaný, nazývaný, nazývaný, nazývaný, nazývaný kvantové tunelovánído makroskopického světa.

K kvantovému tunelování dochází, když částice prochází přímo jinak neprůchodnou bariérou, která se objeví na druhé straně. To se podobá házení míče na zeď a spíše než vidět, jak se odrazit zpět, zjistí, že je na druhé straně bez úhony se zdí samotnou plně neporušenou. Účinek je základem pro tranzistory, ale obvykle se snižuje pro sestavy mnoha částic – proto nikdy nevidíte nikoho, kdo by se v každodenním životě dělal skrz stěny a podlahy. Ale v řada experimentů Vystupoval na Kalifornské univerzitě v Berkeley v letech 1984 a 1985, Clarke, Deveret a Martinis ukázalo že k procesu by se mohlo vyskytnout ve větších měřítcích, než bylo dříve považováno za možné. (Podobně se Clarke také napsal esej pro Vědecký Američan V roce 1994 o supravodivých kvantových interferenčních zařízeních nebo olihkách, vysoce citlivých magnetometrech používaných v lékařském diagnostickém vybavení a dalších vysoce výkonných hardwarech.)

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.

„Je třeba si uvědomit, že pro většinu ze 100leté historie oboru byla kvantová teorie považována za teorii velmi malé,“ říká Aephraim Steinberg, fyzik na University of Toronto, který studuje kvantové tunely. Experimenty Clarke, Deveret a Martinis představují „některé z prvních důkazů, o nichž se zdá, že kvantová mechanika popisuje nejen svět velmi malého, ale dokonce i„ mezoskopického “světa miliard a miliardy elektronů – a potenciálně i náš větší svět.“

Inspirován teoretická práce fyzika (a Eventuální laureát Nobelovy laureát) Anthony Leggett, jejich experimenty se spoléhaly na elektronické obvody postavené ze supravodičů, které mohou provádět proud s žádný elektrický odpor. Výsledná elektronická zařízení podobná čipům, která Nobelova výbor zaznamenal v prohlášení, byla „dostatečně velká, aby byla držena v ruce“, obsahovala supravodivé komponenty děleno tenkou bariérou nevodivého materiálu. Toto uspořádání je známé jako a Josephson JunctionPo Nobelova cena za cenu britského teoretického fyzika Briana Josephase, který to poprvé navrhl na začátku šedesátých let. Prostřednictvím vyčerpávajícího mapování a měření vlastností obvodu dokázaly Clarke, Deveret a Martinis ukázat, jak elektrony procházející systémem působí, jako by se jedná o jednu částici, a tunel přes dělicí bariéru, aby naplnil celý obvod.

Jejich experimentální systém vykazoval pouze dva odlišné režimy-ty, ve kterých byl proud „zachycen“ ve stavu nulového napětí a další, ve kterém proud unikl tomuto stavu tunelem, aby vykazoval napětí. To jasně prokázalo kvantizovanou povahu systému, ve kterém bylo možné emitovat nebo absorbovat pouze specifické množství energie, jak předpovídá kvantová mechanika.

„Je úžasné, že mohu oslavit způsob, jakým stará století stará kvantová mechanika neustále nabízí nová překvapení,“ řekla Olle Eriksson, předsedkyně Nobelovy výboru pro fyziku, v IN v prohlášení Oznámení ceny. „Je to také nesmírně užitečné, protože kvantová mechanika je základem veškeré digitální technologie.“

Cena představuje triumf pro systém University of California; Clarke zůstává na Kalifornské univerzitě, Berkeley a Deveret a Martinis jsou na Kalifornské univerzitě v Santa Barbara. (Deveret také zastává pozici na Yale University.)

„Clarke poznamenal, že„ zcela ohromen “Clarke dosáhl na svém mobilním telefonu během oznámení ceny, že jev, který z něj udělal nositele Nobelovy laureát, je také„ jedním z základních důvodů, proč mobilní telefony fungují “a že„ náš objev je v některých ohledech základem kvantové výpočty “.

Kvantové počítače mít potenciál hluboce zvýšit rychlost a efektivitu určitých komplexních výpočtů daleko nad rámec toho, čeho mohou klasické počítače dosáhnout. Jejich síla pochází spíše z kvantových bitů nebo qubitů než z bitů používaných v klasickém výpočtu. Na rozdíl od bitů, které kódují informace jako binární sérii 0s a 1S, může qubit v superpozici kódovat nejen 0 nebo 1, ale také většinu hodnot mezi nimi. Přístup ke všem těmto mezilehlým hodnotám vyžaduje držení qubit v superpozici-obvykle jej ochlazením na téměř absolutní nulu a chráněním před všemi způsoby způsobu environmentálního šumu vyvolávajícího chyby. Zabalené soubory qubits pak lze organizovat, aby se řešily neustálejší výpočetní problémy.

Hranička pole má harmonizovat dostatečný počet robustních a spolehlivých qubitů k vytvoření systémů, které jasně prokazují „kvantovou výhodu“ oproti klasickému výpočtu. Vlády, výzkumné instituce a soukromé společnosti po celém světě každoročně utrácí desítky miliard dolarů Ve snaze o kvantovou výhodus většinou systémů závislých na supravodivých qubits, které dluží jejich existenci, částečně, Clarkovi, Deveret a Martinisův průlomový výzkum.

„Když začnete zřetězet mnoho qubitů dohromady, vyvstávají otázky: Jak velký může být kvantové zapletení? Jak velký kvantový systém můžete udělat?“ říká Irfan Siddiqi, kvantový informační vědec na Kalifornské univerzitě v Berkeley, který úzce spolupracoval se všemi třemi novými laureáty. „A většina z této nové vlny výzkumu je založena na dřívější odpovědi Johna, Johna a Michela na tuto základní otázku, zda makroskopický systém může být kvantový mechanický.“

Pro svou práci, kterou citace Nobelovy citace popisuje jako „objev makroskopického kvantového tunelování a kvantizace energie v elektrickém okruhu“, vědci rozdělí stejně cenu 11 milionů švédských druhů (asi 1,17 milionu dolarů). Což je knížecí součet – ale také bledý stín téměř nevyčíslitelných zisků, který by mohl nashromáždit, pokud nebo kdy je naplněn vznešený příslib kvantového výpočetní techniky, který pomohl katalyzovat.