Nobel z fizyki 2025: tunelowanie kwantowe - co to takiego?

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.

Alfred Nobel i jego dziedzictwo

Nagroda Nobla powstała z inicjatywy szwedzkiego wynalazcy i przedsiębiorcy Alfreda Nobla. Nobel zyskał rozgłos i bogactwo dzięki wynalezieniu dynamitu. To pozwoliło mu znacznie rozwinąć swoją działalność, opatentować wiele innych wynalazków i pomnożyć majątek. Punktem zwrotnym w jego życiu była chwila, w której jedna z gazet pomyliła się i po śmierci jego brata opublikowała nekrolog wynalazcy. Nobel przeczytał niezwykle krytyczny tekst, w którym obarczano go winą za wynalezienie śmiercionośnego materiału. Nie chcąc być tak zapamiętanym sporządził testament, w którym przekazał znaczną część swojego majątku na cele rozwoju nauki. Zgodnie z zapisami sporządzonego w 1895 r. testamentu 31 milionów ówczesnych koron szwedzkich trafiło na specjalny fundusz, z którego co roku miały być wypłacane nagrody za najwybitniejsze odkrycia w pięciu dziedzinach: medycyny i fizjologii, chemii, fizyki, literatury (gdzie laureatów mieli wskazywać przedstawiciele Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk) oraz za wybitne osiągnięcia w działalności na rzecz pokoju na świecie (za tę nagrodę miał odpowiadać osobny komitet w Oslo).

Realizacja testamentu Nobla nie była wcale pewna

Co ciekawe po ogłoszeniu testamentu rodzina Nobla próbowała podważyć jego zapisy - ostatecznie testament pozbawił ją gigantycznej fortuny. Spór sądowy trwał kilka lat, a jego efektem było powołanie specjalnej fundacji, która miała zarządzać zgromadzonym kapitałem tak, by fundusz generował stabilne dochody i środki na nagrody nie zostały zbyt szybko wyczerpane. I chyba robi to skutecznie biorąc pod uwagę, że nagrody są przyznawane już od 125 lat. Pierwsze Noble przyznano bowiem już w 1901 r., 5 lat po śmierci fundatora, a laureatami byli m.in. Wilhelm Roentgen czy Henry Dunant - założyciel Czerwonego Krzyża. Od pierwszej edycji nagrody są wręczane 10 grudnia - w rocznicę śmierci Nobla, choć ich ogłoszenie ma miejsce znacznie wcześniej, zwykle na początku października.

Za co przyznano Nobla z fizyki w latach 2021-2024?

Laureatami tej prestiżowej nagrody w poprzednim roku było dwóch badaczy: Geoffrey E. Hinton i John J. Hopfield. Ich odkrycie ma dziś bardzo praktyczne zastosowanie i wielu z nas korzysta z niego na codzień, bo jest wykorzystywane m.in. w platformach streamingowych i sztucznej inteligencji. To pokazuje, że często laureaci Nagród Nobla zmieniają swoją pracą nasze życie na masową skalę. 

W uzasadnieniu przyznania nagrody zapisano, że naukowcy zostali nagrodzeni „za fundamentalne odkrycia i wynalazki umożliwiające uczenie maszynowe za pomocą sztucznych sieci neuronowych”. Co właściwie odkryli Hinton i Hopfield? Prowadzone przez nich badania miały ogromne znaczenie dla rozwoju sztucznej inteligencji, która już dziś – co można powiedzieć bez żadnej przesady – rewolucjonizuje naszą codzienność. John Hopfield stworzył tak zwaną pamięć asocjacyjną – sieć, która może przechowywać wzorce i metody ich odtwarzania. Dzięki temu w razie posiadania niekompletnego wzorca sieć samodzielnie potrafi zidentyfikować w swoich zasobach wzorzec najbardziej zbliżony do analizowanego.

Geoffrey Hinton, korzystając z wynalazku Hopfielda, poszedł o krok dalej i stworzył sztuczną sieć neuronową znacznie bardziej zaawansowaną, tak zwaną maszynę Boltzmanna. Uczy się ona rozpoznawać charakterystyczne elementy w konkretnym zbiorze danych i na tej podstawie może je kategoryzować, a także tworzyć przykłady pasujące do wzorca. To odkrycie stało się punktem zwrotnym w pracach nad uczeniem maszynowym – podstawową cechą sztucznej inteligencji.

Rok wcześniej fizycznymi Noblami wyróżniono Pierre'a Agostiniego, Ferenca Krausza i Anne L'Huillier za rozwój eksperymentalnych metod generujących attosekundowe (niesamowicie krótkie) impulsy światła, pozwalające badać precyzyjnie dynamikę elektronów.

W roku 2022. nagroda w tej dziedzinie trafiła do rąk Alaina Aspecta, Johna Clausera i Antona Zeilingera, którzy swoimi eksperymentami ze splątanymi fotonami udowodnili wprowadzili nową wiedzę w dziedzinę informatyki kwantowej.

W 2021 r. Nagroda Nobla z fizyki została podzielona. Część trafiła do Syukuoro Manabe i Klausa Hasselmanna. Doceniono ich badania dotyczące fizycznego modelowania Ziemi i badania nad wiarygodnymi metodami przewidywania globalnego ocieplenia. Druga część nagrody trafiła w ręce Giorgio Parisiego, który odkrył wzajemne oddziaływanie nieuporządkowania i fluktuacji w układach fizycznych od skali atomowej do planetarnej.