Nauki ścisłe [2025-10-09]

Kwanty w skali makro. Prof. Zieliński o Noblu z fizyki

— Redakcja

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali John Clarke, Michel Devoret i John Martinis. Amerykańscy uczeni zostali nagrodzeni za pokazanie, że pewne zjawiska kwantowe, w szczególności tunelowanie, mogą zachodzić także w układach makroskopowych. Zawiłości badawczych dociekań tegorocznych laureatów wyjaśnia prof. dr hab. Michał Zieliński z Katedry Mechaniki Kwantowej w Instytucie Fizyki UMK.

Królewska Szwedzka Akademia Nauk postanowiła uhonorować trzech naukowców za "odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym". Nagrodę podzielą między sobą John Clarke z Berkeley University, Michele H. Devoret z Yale University oraz John M. Martinis z University of California w Santa Barbara.

Kwanty widziane gołym okiem

O zjawiskach kwantowych zwykle myśli się, że dotyczą bardzo małych obiektów - pojedynczych cząstek lub atomów, gdzie są one łatwo zauważalne. Laureaci Nobla przyjrzeli się tematowi z innej strony: postanowili sprawdzić, czy efekty kwantowe znane ze skali atomowej można odtworzyć w skali makro. 

Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla z fizyki przeprowadzili serię eksperymentów z obwodem elektrycznym, w których wykazali, że osobliwe właściwości świata kwantowego można urzeczywistnić w układzie na tyle dużym, że można go trzymać w dłoni. Ich nadprzewodzący układ elektryczny mógł tunelować z jednego stanu do drugiego, tak jakby przechodził prosto przez ścianę. Wykazali również, że układ absorbował i emitował energię w dawkach o określonych rozmiarach, zgodnie z przewidywaniami mechaniki kwantowej - wyjaśnił Komitet Noblowski.

Uzasadniając przyznanie Nobla właśnie tym naukowcom, podkreślono, że ich praca daje "możliwości rozwoju technologii kwantowej nowej generacji, w tym kryptografii kwantowej, komputerów kwantowych i czujników kwantowych".

O laureatach, prowadzonych przez nich eksperymentach i ich znaczeniu dla przyszłych badań opowiada prof. dr hab. Michał Zieliński z Katedry Mechaniki Kwantowej w Instytucie Fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK.

Noble za nadprzewodnictwo

Cała historia zaczyna się dosyć dawno, bo już w 1911 roku, gdy holenderski fizyk Heinke Kamerlingh Onnes, jeden z pionierów fizyki niskich temperatur, odkrył zjawisko nadprzewodnictwa, a więc zjawisko zerowego oporu elektrycznego poniżej pewnej temperatury, zwanej temperaturą krytyczną. Zjawisko to jest efektem kwantowym, ale - przypomnijmy - mechanika kwantowa powstała nieco później, w latach 20. XX wieku. Warto zauważyć, że właśnie w tym roku obchodzimy stulecie mechaniki kwantowej. Jest to na tyle ważna rocznica, że ONZ ogłosiła rok 2025 Międzynarodowym Rokiem Nauki i Technologii Kwantowej.

Efekt nadprzewodnictwa czekał całkiem długo na teoretyczne wyjaśnienie na gruncie mechaniki kwantowej - aż do lat 50. XX wieku. Teoria opisująca to zjawisko nosi nazwę BCS, od pierwszych liter nazwisk jej autorów, Johna Bardeena, Leona N. Coopera and J. Roberta Schrieffera, którzy za te badania w 1972 roku otrzymali Nagrodę Nobla.

O tym, jak ważnym zjawiskiem jest nadprzewodnictwo, niech świadczy fakt, że już rok później przyznano za badania nad nim kolejną Nagrodę Nobla, tym razem głównie za prace dotyczące zjawisk tunelowania właśnie w nadprzewodnikach. O ile samo zjawisko tunelowe w układach atomowych i jądrowych, zwane też efektem tunelowym, jest znane od końca lat dwudziestych, to jego odkrycie w nadprzewodnikach było przełomem, który ma konsekwencje do dzisiaj.

Wśród trzech laureatów Nobla z 1973 roku należy koniecznie wyróżnić postać Briana Josephsona, która jest niezmiernie ważna dla omawianego tematu (laureat otrzymał połowę, a nie 1/3 nagrody, jakby wynikało z prostej arytmetyki, co miało podkreślić jego szczególnie istotny wkład). Nagrodę przyznano mu za teoretyczne odkrycie czysto kwantowego efektu - nazwanego później jego imieniem. To efekt Josephona, efekt tunelowania, tj. przejścia cząstek przez barierę, ale pomiędzy dwoma nadprzewodnikami oddzielonymi bardzo cienką warstwą materiału nieprzewodzącego. Jego przewidywania teoretyczne wkrótce potwierdzono eksperymentalnie. W trakcie odkrycia Brian Josepshon miał zaledwie 22 lata, jego dalsze losy są bardzo ciekawe, choć mogą stanowić przestrogę dla młodych naukowców, gorąco pragnących sukcesu. Otóż, po otrzymaniu Nagrody Nobla, zamiast czystą nauką, zajął się parapsychologią, mistycyzmem i homeopatią.

Należy podkreślić, że ze względu zarówno na olbrzymią wagę dla badań podstawowych, jak i liczne zastosowania, kolejne Nagrody Nobla za nadprzewodnictwo, w szczególności za tzw. nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe w materiałach ceramicznych oraz za badania teoretyczne nad nadprzewodnictwem (i powiązanym z nim zjawiskiem nadciekłości), przyznano odpowiednio w 1987 oraz 2003 roku. Wobec tak licznych nagród związanych z nadprzewodnictwem można uwierzyć w szczerość słów jednego z tegorocznych laureatów, Johna Clarke'a, o tym, że był szczerze zaskoczony przyznanym mu wyróżnieniem.

Noblowska trójca

Wspomniany John Clarke rozpoczął pracę na Uniwersytecie w Berkley w 1969 roku, gdzie zajął się nadprzewodzącymi złączami Josephsona oraz ich zastosowaniami, np. w bardzo czułej magnetometrii, czyli pomiarach pola magnetycznego. Kluczowe dla nagrody badania przeprowadzono jednak później, bo w 1985 roku. Co ciekawe, John Martinis był wówczas jego doktorantem, a Michel Devoret był u Clarke'a na stażu podoktorskim. Razem wykonali serię eksperymentów pokazujących, że efekty kwantowe, a w szczególności efekty tunelowania, mogą istnieć w obwodach makroskopowych (ang. macroscopic quantum tunnelling - MQT), a więc takich, o których sami autorzy pisali, że są "na tyle duże, że można włożyć do nich… brudne paluchy".

Pomijając dosadność cytatu, jest to o tyle istotne, że taki makroskopowy układ można zbudować w laboratorium i podłączyć do niego przewody elektryczne i w ten sposób nim sterować, a z drugiej strony można go wystarczająco dobrze wyizolować od negatywnego wpływu otoczenia, tak aby zaobserwować efekty kwantowe. Jest to więc taki sztuczny atom, ale sterowalny. Obiekt kwantowy, ale zarazem makroskopowy.

Na pierwszy rzut oka – poza czysto naukową ciekawością – mogłoby się wydawać, że rezultaty te nie mają żadnego dalszego znaczenia. Sytuacja zmieniła się diametralnie w latach 90., gdy zaproponowano pierwsze algorytmy kwantowe i gdy rozpoczęto poszukiwania kwantowych układów dwupoziomowych, tzw. bitów kwantowych lub inaczej kubitów (ang. qubit). To fundamentalne składowe komputera kwantowego, na którym można by owe algorytmy "uruchamiać". Dzięki pracom grupy z Berkeley stało się jasne, że obwody nadprzewodzące są jedną z możliwych platform. Zwieńczeniem tych badań jest tzw. transmon – jeden z najstabilniejszych typów kubitu opartego o nadprzewodnictwo. Dzięki swojej stabilności, odporności na szum, czyli tzw. dekoherencję, która działa destrukcyjnie na kwantowe stany w kubitach oraz dzięki koncepcyjnej prostocie transmony, stanowią obecnie podstawowy element większości komputerów kwantowych opartych o nadprzewodniki, w tym systemów rozwijanych przez IBM, Google oraz Rigetti.

Jednym z twórców architektury transmonu jest właśnie Michel Devoret. Laureat jest dziś emerytowanym profesorem Uniwersytetu w Yale oraz czynnym profesorem na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, jest także głównym naukowcem w części Google Quantum AI zajmującej się sprzętem. W Google pracował także John Martinis, kolejny z tegorocznych laureatów. W 2019 roku jego zespół w Google dokonał przełomowego eksperymentu, pokazując tzw. quantum supremacy, czyli to, że komputer kwantowy (oparty już nie o pojedyncze, ale o 53 kubity), może wykonać zadanie obliczeniowe nieosiągalne dla żadnego klasycznego superkomputera. W 2020 roku Martinis przeszedł do pracy w australijskim startupie Silicon Quantum Computing stworzonym przez gwiazdę tamtejszej nauki Michelle Simmons. Badania zespołu tej wybitnej badaczki, dotyczące między innymi domieszek w krzemie, są dla mnie szczególnie istotne ze względu na zbieżność tematyczną z moją własną pracą.

Kwantowa rewolucja

W połowie lat 80. prace tegorocznych laureatów mogły się jawić jako niszowa ciekawostka, a dzisiaj w oparciu o nie jesteśmy na progu kolejnej, tym razem kwantowej rewolucji. To chyba kolejna lekcja dla mecenasów nauki, by nie ograniczać finansowania badań podstawowych, które mogą przynieść korzyść, a więc wdrożenia dopiero po wielu dekadach.

Rewolucja kwantowa to nie tylko układy nadprzewodzące, to także kubity oparte o pułapkowane jony i atomy, a także kropki kwantowe oraz kubity fotoniczne. Liderami w tych badaniach są firmy (np. Intel) oraz instytucje naukowe, np. NIST w USA czy Politechnika Delt z którymi, co ważne, fizycy z UMK współpracują od lat. Prace Clarke'a, Devoreta i Martinisa wpisują się w szerszy nurt badań nad inżynierią i technologią zjawisk kwantowych, czyli świadomym projektowaniem i kontrolowaniem stanów kwantowych.

Fizycy z UMK są na bieżąco

W tej dziedzinie Toruń od lat należy do ścisłej światowej czołówki. W Instytucie Fizyki Mikołaja Kopernika, m.in. w Katedrze Mechaniki Kwantowej, prowadzone są teoretyczne badania nad nanostrukturami półprzewodnikowymi, takimi jak kropki i druty kwantowe, które - podobnie jak nadprzewodnikowe kubity - pozwalają na kontrolowane "uwięzienie" pojedynczych nośników ładunku oraz manipulowanie ich stanami kwantowymi. Oprócz tego prowadzi się szereg innych powiązanych badań: nad zimną materią, układami fotonicznymi, a także nad wydajnym teoretycznym opisem złożonych układów kwantowych. Szeroko rozumiane badania nad koherencją kwantową – od strony sformalizowanej - prowadzi się z kolei w Katedrze Fizyki Matematycznej, a w Katedrze Nanofotoniki bada się nanostruktury eksperymentalnie. Ważnym filarem toruńskiej nauki kwantowej jest także Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (FAMO), gdzie prowadzi się eksperymentalne i teoretyczne badania nad kontrolą pułapkowych atomów i jonów. To właśnie w FAMO realizowane są eksperymenty z zakresu atomowych zegarów kwantowych, splątania fotonów i symulatorów kwantowych – dziedzin bardzo bliskich ideowo i technologicznie temu, za co przyznano tegorocznego Nobla.

Tegoroczna Nagroda Nobla to nie tylko uhonorowanie przeszłości, ale również inspiracja dla przyszłych badań - także tych prowadzonych w Toruniu. Pokazuje, że fizyka kwantowa nie jest już dziedziną abstrakcyjnych koncepcji, lecz realnym fundamentem nowoczesnej technologii, a ośrodki takie jak UMK są doskonale przygotowane, by w tej rewolucji aktywnie uczestniczyć.