Na czym polega ów efekt tunelowy w skali mikroskopowej? Znacznie upraszczając, można to przedstawić w następujący sposób: zgodnie z założeniami fizyki klasycznej duży, a co istotne złożony pod względem budowy obiekt kwantowy, a więc oscylator o makroskopowej masie, czyli urządzenie wykonujące ruch drgający lub generujący mechanicznie, elektrycznie, elektronicznie drgania (oscylacje), nie posiada wystarczającej energii, aby przeniknąć barierę potencjału. Fizyka kwantowa dowodzi jednak, że cząstki mają nie tylko budowę korpuskularną, ale także właściwości falowe, które pozwalają na tunelowanie nie tylko małych cząstek, ale w ściśle określonych warunkach skrajnej izolacji i bardzo niskich temperatur, takie efekty mogą dotyczyć także obiektów o znacznie większych masach. Badaniami nad takimi właśnie obiektami zajmowali się w swojej dotychczasowej karierze naukowej tegoroczni laureaci Nagrody Nobla z fizyki.
Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki od 2020 roku
Foto: PAP
Kim są laureaci tegorocznej Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki?
Pierwszym z nich jest 82-letni, brytyjski profesor John Clarke, który w 1968 roku uzyskał stopień doktora fizyki w Christ's College w Cambridge i Darwin College w Cambridge. W późniejszych latach Clarke poświęcił się głównie badaniom zastosowania nadprzewodnictwa w urządzeniach interferencyjnych (SQUID), które są ultraczułymi detektorami strumienia magnetycznego. Jednym z efektów jego badań jest zastosowanie SQUID skonfigurowanych jako wzmacniacze o ograniczonym szumie kwantowym do poszukiwania aksjonu, hipotetycznej cząsteczki subatomowej postulowanej w teorii Peccei–Quinn z 1977 roku jako potencjalnego składnika ciemnej materii.
Drugim tegorocznym laureatem Nagrody Nobla z fizyki jest 72-letni francuski fizyk Michel Devoret, profesor fizyki stosowanej im. F. W. Beinecke'a na Uniwersytecie Yale oraz dyrektor Laboratorium Nanofabrykacji Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie Yale. W swojej pracy badawczej prof. Devoret skupił się nad makroskopowym tunelowaniem kwantowym i pompą pojedynczego elektronu. Uznaje się go za jednego z inicjatorów badań w dziedzinie elektrodynamiki kwantowej (QED) obwodów i kwantroniki. QED jest teorią pola opisującą oddziaływania elektromagnetyczne. Dla fizyków jest to obszar szczególnie obiecujący, bowiem może zintegrować dwa fundamentalne opisy rzeczywistości: mechanikę kwantową opisującą oddziaływania materii i energii w bardzo małej skali ze szczególną teorią względności opisującą ruch obiektów w olbrzymich skalach czasoprzestrzeni.
Trzecim laureatem tegorocznej Nagrody Nobla z fizyki jest 67-letni Amerykanin John M. Martinis, profesor fizyki z University of California w Santa Barbara. Po studiach doktorskich Martinis rozpoczął staż naukowy w Commissariatu à l'Energie Atomique w Saclay we Francji. W Dziale Technologii Elektromagnetycznej w Narodowym Instytucie Norm i Technologii (NIST) w Boulder, pracował nad wzmacniaczami nadprzewodzących urządzeń interferencji kwantowej (SQUID). W 2004 roku wrócił do Kalifornii, by pokierować Wydziałem Fizyki Eksperymentalnej Uniwersytetu Kalifornijskiego. Tam pracował nad budową pierwszego komputera kwantowego z zastosowaniem kubitów ze złączami Josephsona, pozwalającymi na kontrolowanie przepływu prądu i tworzenie stanu kwantowego kubitu, który może reprezentować zarówno 0, 1, jak i ich superpozycję.
Jest to jeden z dowodów potwierdzających wnioski Erwina Schrödingera z eksperymentu myślowego z owym słynnym kotem z pudełka. Paradoks ten do dzisiaj budzi wątpliwości u sceptyków, choć eksperymentalna fizyka dawno udowodniła prawidłowość wniosków. Wyniki pracy Johna Martinisa okazały się tak obiecujące, że 11 lat temu Google Quantum A.I. Lab zaprosiło go do udziału w pracach nad budową komputera kwantowego wykorzystującego nadprzewodzące kubity.
