Nobelova nagrada za fiziko letos za odkritja s področja kvantne mehanike

Kot je pojasnila žirija, trojica prejme nagrado za odkritje makroskopskega kvantnega tuneliranja in kvantizacije energije v električnem vezju.

Makroskopsko kvantno tuneliranje je pojav, pri katerem celoten makroskopski sistem, ne samo posamezni delci, zaradi kvantnih učinkov spontano preide skozi energijsko pregrado, ki je po klasični fiziki ne bi mogel preiti.

John Clarke je v prvem odzivu po telefonu dejal, da je nagrada zanj "presenečenje življenja". Povedal je, da se ob odkritju niso zavedali, da bi lahko zanj dobili Nobelovo nagrado.

Lani sta ugledno nagrado za fiziko prejela ameriški znanstvenik John J. Hopfield in britansko-kanadski znanstvenik Geoffrey E. Hinton za temeljna odkritja in izume, ki omogočajo strojno učenje z umetnimi nevronskimi mrežami.

Letošnji Nobelovi nagrajenci za fiziko so bistveno prispevali k razvoju kvantne elektrodinamike v vezju, ki se danes uporablja za izdelavo superprevodnih kvantnih računalnikov, je ob tem povedal višji znanstveni sodelavec Instituta Jožef Stefan Rok Žitko.

Kot je pojasnil, so znanstveniki Clarke, Devoret in Martinis nagrado prejeli za pionirske eksperimente, v katerih so pokazali, da se električno vezje iz superprevodnih kovin pri nizkih temperaturah obnaša kvantno. "To pomeni, da lahko zaznamo pojave, ki so sicer značilni za svet atomov."

Primer takega pojava je po besedah Žitka kvantizacija energijskih nivojev, torej da imajo energije kvantnega objekta točno določene energije, ne pa nekaj vmes. Drugi primer je tunelski pojav, da kvantni delci lahko preidejo skozi prepreke, ki bi bile v svetu klasične fizike popolnoma neprehodne.

"To je presenetljivo zato, ker so takšna superprevodna elektronska vezja pravzaprav velika, vsekakor so veliko večja od posameznih atomov, kjer nekako nismo navajeni na kvantno mehaniko in recimo v tistih prvih eksperimentih so bila ta vezja velika recimo nekaj milimetrov," je pojasnil.

Dodal je, da so zadeve danes toliko napredovale, da so nekaj eksperimentov izvedli na razdalji 15 metrov, pa še vedno veljajo vsa pravila kvantne mehanike.

Prvi eksperimenti so odprli vrata nadaljnjemu razvoju fizike nizkih temperatur v superprevodnih vezjih. Ena smer razvoja je šla v smeri izdelave naprav, v katerih se lahko shrani kvantna informacija, čemur danes rečemo kubiti, je pojasnil. Na podlagi tega se je razvila arhitektura za bolj kompleksne naprave, ki združuje kubite in druge elemente, različne resonatorje in valovode. To je potem omogočalo opravljanje poskusov s posameznimi mikrovalovnimi fotoni.

"Temu pristopu se danes reče kvantna elektrodinamika v vezju in ti nagrajenci so bistveno prispevali k razvoju tega področja. Ta se danes uporablja za izdelavo ene vrste kvantnih računalnikov, ki jih imenujemo superprevodni kvantni računalniki," je dejal Žitko.

Dodal je, da imajo ti računalniki danes do nekaj sto kubitov in že omogočajo prve izračune, ki se jih nikoli ne bo dalo izvesti oziroma simulirati s klasičnimi računalniki, na primer na področju kemije in znanosti o materialih.

V Sloveniji se s superprevodno elektroniko ukvarjajo predvsem na Inštitutu Jožef Stefan. Na primer v skupini Dragana Mihajlovića izdelujejo transmone, to je ena vrsta kubitov. Nekaj raziskovalcev pa se ukvarja z bolj teoretičnimi vidiki kvantnih vezij. "Recimo v moji skupini se ukvarjamo z izdelavo in koncipiranjem novih vrst kubitov in osnovnih gradnikov teh naprav," je še povedal Žitko.