Nobel z fizyki 2025: tunelowanie kwantowe - co to takiego?
Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki trafia do trzech badaczy: Johna Clarke’a, Michela H. Devoreta i Johna M. Martinisa.
Troje tegorocznych laureatów Nagrody Nobla z fizyki zostało uhonorowanych za odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym. Co kryje się za tymi pojęciami?
Tunelowanie kwantowe to zjawisko w fizyce kwantowej, w którym cząstka ma możliwość przeniknięcia przez barierę potencjału nawet w sytuacji, w której jej energia jest niższa niż energia bariery. Bariera potencjału to obszar, w którym energia potencjalna jest wyższa niż energia w jej otoczeniu. Zgodnie z fizyką klasyczną, cząstka o energii niższej niż energia bariery nie może jej przekroczyć. Przykładem takiej bariery może być silne pole elektryczne, które odpycha otaczające je cząstki. Aby lepiej wyobrazić sobie tę sytuację wyobraźmy sobie strzałę wystrzeloną w kierunku betonowego muru. Strzała odbije się od muru, nie będzie w stanie go przebić, ponieważ jej energia jest na to zbyt niska.
Jednakże w mechanice kwantowej możliwa jest sytuacja, w której cząstki zachowują się wbrew tej logice i mogą przekraczać barierę, pomimo, że mają niższą od niej energię. Takie zjawisko nazywamy tunelowaniem kwantowym. Zachowanie cząstki jest tutaj sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem i zasadami klasycznej fizyki. Gdybyśmy wrócili do obrazu strzały i muru, strzała przenikałaby na drugą stronę przeszkody.
Przed odkryciami tegorocznych noblistów zjawisko tunelowania obserwowano jedynie w mikroskali. Clarke, Devoret i Martinis prowadząc w latach 80. XX wieku swoje badania, udowodnili, że tunelowanie kwantowe jest możliwe również na większą skalę, w systemach złożonych z milionów cząstek. W swoich eksperymentach wykorzystali tzw. złącze Josephsona, czyli układ zbudowany z dwóch nadprzewodników, oddzielonych cienką warstwą izolatora. Elektrony w takich urządzeniach łączą się w tzw. pary Coopera i właśnie ich zachowanie obserwowano w badaniu. Okazało się, że nawet układ złożony z milionów takich par jest w stanie pokonywać barierę potencjału, podobnie jak robią to pojedyncze pary.
Jakie zastosowanie mają te odkrycia?
Kolejne odkrycia w dziedzinie fizyki kwantowej pozwalają na opracowanie najnowocześniejszych technologii. Tunelowanie w skali makro będące owocem badań tegorocznych noblistów otwiera drogę do konstruowania supernowoczesnych komputerów kwantowych, co może zrewolucjonizować takie przestrzenie życia jak przetwarzanie danych, ale także rozwinąć systemy zabezpieczenia danych poprzez systemy kryptografii kwantowej. Kryptografia kwantowa to dziedzina kryptografii wykorzystująca zasady mechaniki kwantowej do zabezpieczania komunikacji w taki sposób, który czyni szyfr teoretycznie niemożliwym do złamania.
Wojciech Teister
Dziennikarz, redaktor portalu „Gościa Niedzielnego” oraz kierownik działu „Nauka”. W „Gościu” od 2012 r. Studiował historię i teologię. Interesuje się zagadnieniami z zakresu historii, polityki, nauki, teologii i turystyki. Publikował m.in. w „Rzeczpospolitej”, „Aletei”, „Stacji7”, „NaTemat.pl”, portalu „Biegigorskie.pl”. W wolnych chwilach organizator biegów górskich.
