Antradienį Švedijos karališkoji mokslų akademija Stokholme 2025 m. Nobelio fizikos premiją skyrė Kalifornijos universiteto Berklyje profesoriui Johnui Clarke’ui, Jeilio universiteto profesoriui Micheliui Devoretui ir Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje profesoriui Johnui Martinisui už makroskopinio kvantinio tuneliavimo ir energijos kvantavimo elektros grandinėse atradimus, sukūrusius pagrindą šiuolaikinėms kvantinėms technologijoms – nuo kvantinių kompiuterių iki itin tikslių jutiklių.

Pasak Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto mokslininkės dr. Maženos Mackoit-Sinkevičienės, ši Nobelio premija išsiskiria ne tik savo moksliniu svoriu, bet ir simboline prasme – šiemet sukanka šimtas metų nuo kvantinės fizikos gimimo: „Ši sritis iš esmės pakeitė mūsų supratimą apie materiją ir jos elgesį, o šių metų laureatų darbai prasmingai užbaigia šimtmetį – jie sujungia teorinius kvantinės fizikos pagrindus su technologijomis, leidžiančiomis kvantinius reiškinius valdyti praktikoje.“

Kai dalelės pereina kiaurai sieną

„Kvantinė fizika iš esmės paremta dviem kertinėmis idėjomis. Pirmoji – kad dalelės pasižymi dvejopa prigimtimi, vadinamąja bangine-dualine savybe: jos gali elgtis ir kaip dalelės, ir kaip bangos, kurios viena kitą veikia ir interferuoja. Antroji – kad jų būsenas galima tiksliai aprašyti matematiškai, pasitelkiant Schrödingerio lygtį. Ši teorija graži ne tik matematiškai, bet ir atveria galimybę prognozuoti netikėtus reiškinius, kurių klasikinė fizika paaiškinti negali“, – sako dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.

Anot mokslininkės, vienas įdomiausių kvantinės fizikos reiškinių – kvantinis tuneliavimas. Klasikiniame pasaulyje, jei kamuolys rieda į kalvos šlaitą ir neturi pakankamai energijos jam įveikti, sustoja. Tačiau kvantiniame pasaulyje dalelė gali „prasiskverbti“ pro kliūtį – tarsi kiaurai pereiti per sieną. Ilgą laiką šis efektas buvo tik teorinis, kol XX a. antroje pusėje mokslininkai sugebėjo jį eksperimentiškai patvirtinti.  Leo Esaki pademonstravo kvantinį tuneliavimą puslaidininkiuose (tunelinis diodas), Ivaras Giaeveris – tarp superlaidininkų per ploną izoliatoriaus sluoksnį, o Brianas Josephsonas teoriškai paaiškino šį reiškinį ir numatė srovių tuneliavimą per tokią sandūrą be įtampos. Už šiuos atradimus jie 1973 m. gavo Nobelio fizikos premiją.

Šių metų Nobelio fizikos premija, skirta Johnui Clarke’ui, Micheliui Devoretui ir Johnui Martinisui, yra tiesioginė šių ankstesnių darbų tąsa, bet kartu ir revoliucinis proveržis. Laureatai parodė, kad visa makroskopinė schema, t. y. superlaidžioji kvantinė grandinė, gali elgtis kaip viena kvantinė sistema: ji kolektyviai tuneliuoja tarp skirtingų būsenų ir turi diskrečius energijos lygmenis, kaip atskiros dalelės. Tai įrodė, kad kvantinė mechanika galioja ne tik mikropasaulyje, bet ir makroskopinėse sistemose, ir suteikė galimybę kurti šiuolaikiniussuperlaidžių kubitų pagrindu veikiančius kvantinius kompiuterius.

Iš superlaidumo – į kvantinį skaičiavimą

„Būtent šiemet Nobelio premiją pelnę J. Clarke’as, M. Devoretas ir J. Martinisas gražiausiai parodė, kaip šis reiškinys veikia makroskopiniu mastu. Jie sukūrė ir ištobulino sistemas, kuriose superlaidininkais tekančios dalelės elgiasi kvantiškai, tačiau ne pavieniui, o kaip bendra kolektyvinė sistema. Šiose sistemose elektronai susiporuoja į vadinamąsias Cooperio poras. Apie jas jau 1957 m. rašė kiti Nobelio laureatai – Johnas Bardeenas, Leonas Cooperis ir Johnas Schriefferis, sukūrę BCS superlaidumo teoriją (už kurią 1972 m. gavo Nobelio fizikos premiją). Cooperio poros juda be pasipriešinimo ir formuoja vieningą kvantinę būseną – tai reiškia, kad daugybė dalelių elgiasi kaip vienas „kūnas“, – teigia dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.

Nobelio komitetas skelbdamas apdovanojimą pranešė, kad šie tyrimai „sukūrė pagrindą tolesniam kvantinių technologijų vystymuisi“ ir šiandien jau lemia proveržius informacijos apdorojimo, kriptografijos bei jutiklių srityse. Tuo tarpu dr. M. Mackoit-Sinkevičienė pabrėžia, kad viskas, kas buvo matematiškai išvesta, Nobelio premijos laureatų darbuose buvo patvirtinta technologiniu lygmeniu.

Kvantiniai reiškiniai, formuojantys naują technologijų epochą

VU mokslininkės tvirtinimu, šiandien šios žinios tapo kvantinių kompiuterių šerdimi. „Kad tokie įrenginiai veiktų, juos reikia atšaldyti iki beveik absoliutaus nulio (t. y. iki maždaug kelių dešimčių milikelvinų temperatūros), nes tik taip išvengiame šiluminio triukšmo ir užtikriname stabilias kvantines būsenas. Tokiose sistemose naudojamos Josephsono jungtys – mikroskopiniai barjerai, per kuriuos Cooperio poros tuneliuoja, sukurdamos matuojamą įtampą. Šis procesas leidžia kurti ir valdyti kvantinius bitus, arba kubitus, kurie gali būti ne tik 0 ar 1, bet abiejų būsenų vienu metu.

Tai – viena pirmųjų kvantinių technologijų platformų, pasiūlyta dar XX a. pabaigoje, ir būtent šioje srityje pasiekta didžiausia pažanga: IBM, „Google“ ir kitos kompanijos savo kvantinius procesorius grindžia būtent superlaidžių grandinių principu. Kartu egzistuoja ir kitos technologijos: fotoninės sistemos, jonų spąstai, šaltųjų atomų gardelės, kvantiniai deimantai. Vis dėlto būtent ši platforma buvo pirmoji, kuri praktiškai įrodė, kad kvantiniai efektai gali būti valdomi inžinerinėmis priemonėmis“, – pasakoja dr. M. Mackoit-Sinkevičienė.

Jos įsitikinimu, šių metų Nobelio laureatai parodė, kad riba tarp klasikinės ir kvantinės fizikos nyksta: „Kvantiniai efektai dabar stebimi vis didesniuose, sudėtingesniuose objektuose, o tai, kas prieš kelis dešimtmečius atrodė tik teorinė egzotika, tapo pagrindu visai naujai technologinei epochai. Jų atradimai atvėrė kelią šimtams tyrimų grupių ir startuolių, kuriančių praktinius kvantinės fizikos taikymus – nuo itin tikslių matavimų iki informacijos saugumo ir skaičiavimo revoliucijos.“