Nobel, după 40 de ani. Pentru experimentele care au deschis calea calculatoarelor cuantice

Premiul Nobel pentru fizică 2025 a fost obținut de trei cercetători – un britanic, un francez și un american – pentru lucrările lor în domeniul mecanicii cuantice, a anunțat marți Academia Regală Suedeză de Științe din Stockholm. Nobelul a fost acordat pentru cercetarea în domeniul tunelării cuantice macroscopice și pentru cuantificarea energiei într-un circuit electric.

Tunelarea cuantică între lumi microscopică și macroscopică

Nobelul pentru fizică are conotații iconice, având în vedere seria figurilor legendare din panoplia laureaților. Marie Curie rămâne una dintre cele mai cunoscute personalități din această serie, fiind, de altfel, prima femeie laureată și singura persoană care a câștigat Nobelul pentru două științe diferite: fizică și chimie. Albert Einstein a primit premiul pentru explicarea efectului fotoelectric, care a transformat fundamentele fizicii moderne.

Niels Bohr a fost distins pentru contribuțiile sale la înțelegerea structurii atomice și a mecanicii cuantice. Echipa de cercetare condusă de Richard Feynman a fost laureată pentru dezvoltarea electrodinamicii cuantice, ceea ce a schimbat perspectiva asupra interacțiunilor subatomice. Peter Higgs a câștigat Nobelul pentru fizică în 2013, pentru teoria care a prezis bosonul Higgs, consacrată la nivel global drept „particula lui Dumnezeu”. O descoperire esențială pentru înțelegerea masei particulelor elementare.

Europa ar putea evita o criză a combustibilului pentru avioane: avertismentele și soluțiile propuse de șeful Ryanair

21:46

Contractul cu Rheinmetall stârnește controverse: acuzații dure și întrebări despre viitorul apărării României

18:46

Mai nou, experților le este din ce în ce mai dificil să explice pentru un public larg ce fel de performanță a fost recompensată de Academia Regală Suedeză.

Cine înțelege cuantică?

„Cred că putem spune, fără prea mare teamă de a greși, că nimeni nu înțelege mecanica cuantică”, spunea Richard Feynman, unul dintre cei mai mari fizicieni ai secolului XX. Nu e de mirare, deci, că audiența din Sala de Sesiuni a Academiei Regale de Științe din Suedia era ușor amuzată la anunțarea premiului pentru fizică, scrie The Economist. Goran Johansson, membru al comitetului de premiere, părea ezitant când a fost vorba să explice publicului larg descoperirea premiată. John Clarke, unul dintre câștigători, părea, la rândul său, surprins că lucrarea, realizată acum 40 de ani, se bucură de recunoaștere abia acum.

Publicul, în mare parte jurnaliști, părea confuz. Este provocator să înțelegi și să explici importanța descoperirii într-un articol cu adresabilitate largă. Se înțelege mai bine, însă, dacă subliniem esența: descoperirea celor trei a fost esențială pentru construirea calculatoarelor cuantice. Calculatoarele, fie ele clasice sau cuantice, sunt dispozitive macroscopice. Calculatoarele tradiționale procesează „biți”, o succesiune de codări 0 și 1. Cele cuantice procesează „qubiți”, a căror valoare rămâne incertă până la finalizarea calculelor.

De la particule subatomice, la viața de zi cu zi

John Clarke, fizician britanic de la Universitatea din California, Berkeley, Michel Devoret, fizician francez la Universitatea Yale, și John Martinis, de la Universitatea din California, Santa Barbara, împart premiul de 11 milioane de coroane suedeze (aproximativ 871.400 de lire sterline). Experimentele celor trei cu tunelarea cuantică macroscopica și cuantificarea curentului au fost realizate în anii 1980. Abia după câteva decenii aceste principii au fost utilizate pentru a construi qubiți funcționali și tehnologii pentru calculatoare cuantice. Academia Nobel acordă această recunoaștere atunci când contribuția a trecut testul timpului și a arătat utilitate practică și profundă.

Mecanica cuantică este asociată de obicei cu lumea microscopică a atomilor și a particulelor subatomice. Clarke, Martinis și Devoret au fost premiați pentru conectarea acestei lumi microscopice cu cea macroscopică. Fenomenul studiat se numește tunelare cuantică. Un efect al principiului incertitudinii, care le permite obiectelor cuantice să apară pe cealaltă parte a unei bariere energetice, fără să o traverseze direct. La nivel microscopic, acest fenomen este obișnuit. De exemplu, decăderea radioactivă depinde de tunelarea particulelor alfa sau beta prin bariere care altfel le-ar ține în nucleu.

Superconductivitate și tunelare macroscopica

La temperaturi apropiate de zero absolut, efectele cuantice pot apărea la scară mai mare. În superconductori, curenții electrici sunt compuși din electroni pereche, denumiți perechi Cooper, uneori aglomerați în condensate Bose-Einstein. În aceste stări, curentul se deplasează fără rezistență și poate traversa goluri în circuite prin tunelare, formând așa numitele joncțiuni Josephson. Au fost numite după fizicianul britanic Brian Josephson, laureat Nobel în 1973. Clarke, Martinis și Devoret au demonstrat mai mult. Au folosit „atomi artificiali” – tuburi de cupru cu pulbere, atașate unui cip superconductiv cu joncțiune Josephson. Au arătat că curentul care traversează golul este cuantificat: nu urcă și coboară lin, ci în pași.

Astfel, tunelarea cuantică macroscopica a fost demonstrată clar, dispozitivul fiind vizibil macroscopic. Până în 1999, cercetători japonezi au realizat că, dacă vor controla acești pași, pot construi dispozitive care să proceseze biți sau, mai exact, qubiți cuantici. Aceasta a condus la invenția qubiților de fază, oscilații între niveluri de energie cuantificate într-o joncțiune Josephson. Ulterior, s-a dezvoltat un design mai robust, transmonul, la care a contribuit Devoret.