Nobelova nagrada za kvantno tuneliranje

Nobelova nagrada za fiziku za 2025. godinu dodijeljena je Johnu Clarkeu, Michelu H. Devoretu i Johnu M. Martinisu za otkriće makroskopskog kvantno-mehaničkog tuneliranja i kvantizacije energije u električnom krugu.

Glavno pitanje u fizici je maksimalna veličina sustava koji može demonstrirati kvantno-mehaničke efekte. Ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade proveli su eksperimente s električnim krugom u kojima su demonstrirali kvantno-mehaničko tuneliranje i kvantizirane energetske razine u sustavu dovoljno velikom da se može držati u ruci.

Njihov supravodljivi električni sustav mogao bi tunelirati iz jednog stanja u drugo, kao da prolazi ravno kroz zid. Također su pokazali da sustav apsorbira i emitira energiju u dozama određenih veličina, baš kako je predviđeno kvantnom mehanikom.

Godine 1984. i 1985., John Clarke , Michel H. Devoret i John M. Martinis proveli su niz eksperimenata s elektroničkim krugom izgrađenim od supravodiča, komponenti koje mogu provoditi struju bez električnog otpora. U krugu su supravodljive komponente bile odvojene tankim slojem nevodljivog materijala, postavkom poznatom kao Josephsonov spoj.

Usavršavanjem i mjerenjem svih različitih svojstava svog kruga, mogli su kontrolirati i istraživati ​​fenomene koji su nastajali kada su kroz njega propuštali struju. Zajedno, nabijene čestice koje su se kretale kroz supravodič činile su sustav koji se ponašao kao da su jedna čestica koja ispunjava cijeli krug.

Ovaj makroskopski sustav nalik česticama u početku je u stanju u kojem struja teče bez ikakvog napona. Sustav je zarobljen u tom stanju, kao da je iza barijere koju ne može prijeći. U eksperimentu sustav pokazuje svoj kvantni karakter uspijevajući pobjeći iz stanja nultog napona tuneliranjem. Promijenjeno stanje sustava detektira se pojavom napona.

Laureati su također mogli pokazati da se sustav ponaša na način predviđen kvantnom mehanikom – kvantiziran je, što znači da apsorbira ili emitira samo određene količine energije.

„Divno je moći slaviti način na koji stoljetna kvantna mehanika neprestano nudi nova iznenađenja. Također je izuzetno korisna, jer je kvantna mehanika temelj sve digitalne tehnologije“, kaže Olle Eriksson, predsjednik Nobelovog odbora za fiziku. 

Tranzistori u računalnim mikročipovima jedan su od primjera etablirane kvantne tehnologije koja nas okružuje. Ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku pružila je prilike za razvoj sljedeće generacije kvantne tehnologije, uključujući kvantnu kriptografiju, kvantna računala i kvantne senzore.