John Clarke (University of California, Berkeley), Michel H. Deveret (Yale University, Connecticut a University of California, Santa Barbara) a John M. Martinis (Kalifornská univerzita, Santa Barbara) sdíleli Nobelovu cenu 2025 v fyzice. Cena uznává jejich příspěvky k experimentálně demonstraci projevu kvantových účinků v makroskopických systémech a potvrzuje naši víru, že kvantová teorie funguje ve všech stupnicích, malých i velkých.
Jejich výzkumný příspěvek je milníkem. Vyvíjíme naši intuici na základě našeho smyslového vnímání a klasický fyzikální rámec je vyjádřením této zkušenosti, většinou získaný z pozorování makroskopických objektů.
Na druhé straně se kvantová teorie, v současné době nejlepší rámec pro pochopení přírody, nezdá být přirozený nebo zřejmý. Zatímco chování mikroskopických objektů, jako jsou elektrony, protony, jádra a atomy, není v rámci klasické fyziky pochopitelné, kvantová teorie poskytuje způsoby, jak vypočítat experimentální výsledky.
Mramor a rampa
Jedním z kontraintuitivních rysů kvantové teorie je kvantové tunelování.
Představte si, že válí mramor, který narazí na rampu (svah). Pokud se mramor pohybuje dostatečně rychle, může se převrátit přes rampu a dosáhnout druhé strany. Pomalu se pohybující mramor však nemůže překonat rampu. Pro takové pomalé kuličky jsou místa na druhé straně rampy zakázána v klasické fyzice. Kvantová teorie však má jiný příběh.
Předpokládejme, že kvantová teorie se vztahuje na všechny situace. V tomto případě může být mramor začínající na jedné straně bariéry na druhé straně, i když mramor nemá dostatečnou energii (podle potřeby v klasické fyzice). Tato možnost nalezení objektů v klasicky zakázaných regionech se nazývá tuneling, což je rys rozpoznaný i v prvních dnech kvantové teorie.
Například alfa částice (dva protony plus dva neutrony) v jádru – i když nemá dostatek energie, aby se odtrhla od přitažlivosti jiných protonů a neutronů v jádru – dokáže opustit jádro tunelem. To ve skutečnosti vysvětluje původ alfa rozpadu radioaktivních jádra.
Zatímco tunelování mikroskopických druhů, jako je alfa částice, je v souladu s kvantovými mechanickými předpovědi, nikdy jsme neviděli pomalý mramorový překročení rampy. Je tunelování pouze vlastností mikroskopických objektů? Pokud ano, existuje hranice, která vymezuje kvantum z klasického?
Kondenzáty
Jedním ze způsobů, jak odpovědět na první otázku, je prokázat tunelování v makroskopickém objektu. Tři laureáti Nobelovy laureáty pracovali jako tým a prokázali tunelování a kvantizaci energie, což je další rozlišovací rys kvantových systémů, v makroskopickém systému. Makroskopický objekt jako mramor se skládá z mnoha atomů. Mramorové vlastnosti, které jsou pro nás intuitivně zřejmé, protože jsou klasické, jsou kumulativní účinky rysů atomů, které jsou mikroskopické. Je však možné myslet na systém s makroskopickým stupněm svobody, který vykazuje kvantové rysy.
Supravodič nenabízí žádný odpor k toku elektřiny. V supravodiči jsou elektrony pohybující se v opačných směrech, zvané páry Cooper, a jejich pohyb koreluje. Původ této korelace je mříž atomů, které tvoří supravodič. Při nízkých teplotách nejsou vibrační atomy dostatečně energické, aby rozbily korelaci mezi párovými elektrony, což umožňuje těmto párům pohybovat se bez odporu.
Josephson křižovatka tvoří tenká izolační bariéra sendvičová mezi dvěma supravodiči. Když je teplota dostatečně nízká, vytvářejí se dvojice Cooper a elektrony se pohybují přes izolační bariéru z jednoho supravodiče do druhého, když je Josephson křižovatka součástí vhodného elektrického obvodu. Celkový proud je způsoben migrací miliard takových párů.
Při vhodně nízké teplotě se velký sběr párů (nazývaných kondenzáty) chová jako jediný makroskopický objekt – v tom, že všechny páry Cooper jsou ve stejném stavu a vykazují stejné kvantové rysy. Tento makroskopický objekt je charakterizován množstvím nazývaným fázovým rozdílem a počtem párů Cooper, které jsou makroskopické vlastnosti kondenzátu.
Matematická rovnice popisující obvod je podobná jako popisující mramor pohybující se po svahu (i když ne jednotný svah). Fázový rozdíl a bariéra jsou analogické umístění mramoru a rampy. Experiment Clarke, Deveret a Martinis ukázal tento „fázový rozdíl“ tunelující přes křižovatku Josephson v okruhu.
Toto pozorování analogicky je ekvivalentní umístění mramoru, která se přesouvá na druhou stranu bariéry, a proto je demonstrací tunelování na makroskopických úrovních.
Nápady vydrží
Tým také zavedl kvantizaci energie, což znamená, že celková energie v obvodech může trvat pouze specifickou sadu hodnot, aby zdůvodnil, že obvod obsahující křižovatku Josephson byl zjevně kvantový. Toto přesvědčivě prokázalo, že neklasický rys, jako je tunelování, je přítomen i v měřítku miliard párů Cooper.
Kvantový klasický přechod je stále rozrušený. Existují však důvody se domnívat, že interakce makroskopických systémů s jejich okolím je hlavním důvodem, proč se kvantové efekty projevují ve velkých objektech, jako je mramor.
Ačkoli tyto experimenty byly prováděny v polovině 80. let, myšlenky nadále podněcují výzkumné činnosti v mnoha oblastech. Nejvíce pozoruhodně, kvantové výpočetní technika z těchto nápadů nesmírně těží. Základní součástí kvantového počítače je qubit (kvantový bit), který obsahuje zpracování informací. K provádění kvantových výpočtů je nutné velké množství qubits. Mnoho fyzických systémů je vhodných pro realizaci qubits a supravodivé qubits jsou obvody obsahující křižovatky Josephson, podobné těm, které jsou navrženy laureátmi Nobelovy laureát.
Práce Laureates také poukazují na význam základního výzkumu. Ačkoli původní motivace práce nebyla kvantová výpočetní technika, její dopad na pole dostatečně ukazuje, jak základní výzkum může podpořit technologické inovace.
S. Srinivasan je profesorem fyziky na Krea University.
Publikováno – 11. října 2025 06:00
