Τρεις Αμερικανοί επιστήμονες τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής 2025 για την πειραματική επιβεβαίωση του κβαντικού τούνελινγκ και της κβάντωσης ενέργειας σε ηλεκτρικό κύκλωμα μακροσκοπικής κλίμακας.
Οι John Clarke (Πανεπιστήμιο Καλιφόρνιας, Berkeley), Michel H. Devoret (Yale και UC Santa Barbara) και John M. Martinis (UC Santa Barbara) βραβεύτηκαν για πειράματα που απέδειξαν ότι κβαντικά φαινόμενα μπορούν να παρατηρηθούν σε συστήματα αρκετά μεγάλα ώστε να χωράνε στο χέρι.
Το φαινόμενο του τούνελινγκ στην πράξη
Η κβαντική μηχανική προβλέπει ότι ένα σωματίδιο μπορεί να «περάσει» μέσα από ένα φράγμα, φαινόμενο γνωστό ως τούνελινγκ. Συνήθως, όσο περισσότερα σωματίδια συμμετέχουν, τόσο λιγότερο εμφανίζονται τα κβαντικά φαινόμενα.
Όμως, με χρήση υπεραγώγιμων κυκλωμάτων, οι τρεις επιστήμονες κατασκεύασαν ένα μακροσκοπικό σύστημα που συμπεριφέρεται σαν ένα και μοναδικό κβαντικό σωματίδιο. Το κύκλωμα τους περιλάμβανε υπεραγώγιμα στοιχεία χωρισμένα από ένα μονωτικό στρώμα – μια δομή γνωστή ως ένωση Josephson.
Διέξοδος μέσω τούνελινγκ και κβαντικά άλματα
Το σύστημα αρχικά βρισκόταν σε μια μηδενική-τάσης κατάσταση, σαν παγιδευμένο πίσω από ενεργειακό φράγμα. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι μπορούσε να «δραπετεύσει» μέσω τούνελινγκ, εμφανίζοντας τάση, ένδειξη της αλλαγής κατάστασης.
Παράλληλα, αποδείχθηκε ότι το σύστημα απορροφά ή εκπέμπει ενέργεια μόνο σε συγκεκριμένες ποσότητες, δηλαδή είναι κβαντωμένο, ακριβώς όπως προβλέπει η θεωρία.
Μια ιστορική επιστημονική πορεία
Η δουλειά βασίστηκε σε θεωρητικές και τεχνικές βάσεις δεκαετιών. Το τούνελινγκ ήταν γνωστό από τη δεκαετία του 1920, ενώ οι υπεραγωγοί και τα Cooper pairs (ζεύγη ηλεκτρονίων με συγχρονισμένη κίνηση) περιγράφηκαν το 1972 (Νόμπελ Φυσικής).
Το πείραμα έγινε το 1984–1985 στο UC Berkeley, με επικεφαλής τον Clarke, τον Devoret ως μεταδιδάκτορα και τον Martinis ως διδακτορικό φοιτητή. Μελετώντας στατιστικά μεγάλο αριθμό μετρήσεων, απέδειξαν μακροσκοπική κβαντική συμπεριφορά, κάτι που μέχρι τότε θεωρούνταν απίθανο.
Πρακτική εφαρμογή και θεωρητική επιβεβαίωση
Τα αποτελέσματα τους όχι μόνο επιβεβαίωσαν τη θεωρία, αλλά άνοιξαν δρόμο για νέα κβαντική τεχνολογία, όπως κβαντικοί υπολογιστές, αισθητήρες και κρυπτογραφικά συστήματα.
Ο John Martinis, αξιοποιώντας τα ευρήματα, κατασκεύασε κβαντικά bits (qubits) από παρόμοια κυκλώματα – ένα τεράστιο βήμα προς την υλοποίηση κβαντικού υπολογιστή.
Όπως δήλωσε ο Olle Eriksson, πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ Φυσικής:
«Είναι υπέροχο να βλέπουμε πώς η κβαντική μηχανική συνεχίζει να μας εκπλήσσει και να μας ωφελεί».
Οι νικητές θα παραλάβουν δίπλωμα, χρυσό μετάλλιο και 1 εκατ. δολάρια στην τελετή απονομής στις 10 Δεκεμβρίου, επέτειο θανάτου του Alfred Nobel.
