Za co przyznano Nagrodę Nobla z fizyki w 2025 roku
Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła werdykt 7 października 2025 roku. John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis dostali nagrodę za odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym. Pulę 11 mln koron szwedzkich podzielono na trzy równe części.
Nagrodzono trzy nazwiska za jedną serię eksperymentów, które przeprowadzili razem w 1984 i 1985 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Pokazali wtedy, że prawa znane z opisu pojedynczych cząstek rządzą także układem, który można wziąć do ręki.
Akademia wyjaśniła to porównaniem. Piłka rzucona w ścianę zawsze się odbija. Pojedyncza cząstka w świecie mikroskopowym czasem przechodzi przez taką barierę i pojawia się po drugiej stronie, i to zjawisko nazywa się tunelowaniem. Fizycy znali je od dawna: w 1928 roku George Gamow wyjaśnił nim rozpad promieniotwórczy ciężkich jąder atomowych.
Jak zmierzono kwantowy obwód
Układ zbudowano z dwóch nadprzewodników rozdzielonych cienką warstwą materiału, który prądu nie przewodzi wcale. Taka kanapka to złącze Josephsona, nazwane od Briana Josephsona, który obliczył jej właściwości i dostał za to połowę Nagrody Nobla z fizyki w 1973 roku. Drugą połowę przyznano wtedy Leo Esakiemu i Ivarowi Giaeverowi za doświadczenia nad tunelowaniem.
W nadprzewodniku elektrony łączą się w pary Coopera, opisane przez Johna Bardeena, Leona Coopera i Roberta Schrieffera, laureatów z 1972 roku. Para Coopera traci trochę indywidualności zwykłego elektronu, więc miliardy takich par da się opisać jedną wspólną funkcją falową. Cały obwód zachowuje się wtedy jak jedna cząstka.
Zespół wpuszczał w złącze słaby prąd i mierzył napięcie. Na początku napięcia nie było, bo układ siedział uwięziony w stanie, z którego klasycznie nie ma dość energii, żeby się wydostać. Potem napięcie pojawiało się samo. Badacze mierzyli, ile czasu układ wytrzymuje w stanie zerowego napięcia, i robili to wielokrotnie, bo w mechanice kwantowej moment przeskoku jest sprawą przypadku. Statystyka z wielu pomiarów dała wynik tak samo, jak okres połowicznego rozpadu wyznacza się z obserwacji wielu jąder.
Drugi wynik dotyczył energii. Do uwięzionego układu wpuszczano mikrofale o różnych długościach fali. Część z nich obwód pochłaniał i przechodził na wyższy poziom energii, a z wyższego poziomu tunelował szybciej. Energia przyjmowała zatem tylko wybrane wartości, dokładnie tak, jak energia atomu. Chip z całym obwodem miał około centymetra.
Kot Schrödingera z kablami
Teoretyczną drogę do tych pomiarów przygotował Anthony Leggett, laureat z 2003 roku, który opisał makroskopowe tunelowanie na złączu Josephsona. Leggett zestawił potem wynik z Berkeley ze słynnym kotem Erwina Schrödingera, zamkniętym w pudełku i zarazem żywym i martwym. Schrödinger wymyślił tego kota po to, żeby pokazać absurd takiej sytuacji, bo właściwości kwantowe zwykle zacierają się przy dużych rozmiarach.
Układ z Berkeley jest o wiele rzędów wielkości mniejszy od kociaka. Różnica polega na czymś innym: pomiar dotyczy właściwości kwantowych całego układu, a nie sumy zachowań jego części. Akademia nazywa taki obwód sztucznym atomem na dużą skalę, atomem z kablami i gniazdkami, który można wpiąć do kolejnego doświadczenia.
Co z tego wynika
Obwód z policzalnymi poziomami energii nadaje się na nośnik informacji. Najniższy poziom znaczy zero, pierwszy wyżej znaczy jeden, a taki element nazywa się kubitem. Na nadprzewodnikowych kubitach opiera się część dzisiejszych komputerów kwantowych, między innymi maszyny Google i IBM.
Zrobił to jeden z laureatów. Martinis kierował w Google zespołem sprzętowym, który w 2019 roku ogłosił wynik uzyskany na procesorze Sycamore z 53 splątanymi kubitami. Rachunek, który firma uznała za nieosiągalny dla zwykłych komputerów, zajął tam 200 sekund. Clarke z kolei rozwijał SQUID, czyli nadprzewodnikowe czujniki pola magnetycznego tak czułe, że używa się ich w poszukiwaniach ciemnej materii i w obrazowaniu medycznym.
Rok wcześniej fizycznego Nobla dostali John Hopfield i Geoffrey Hinton za sieci neuronowe, dwa lata wcześniej Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier za impulsy attosekundowe.
Laureaci
W 1984 roku dzielił ich dystans akademicki. Clarke był profesorem i prowadził grupę badawczą, Devoret przyszedł do niej jako stażysta po doktoracie obronionym w Paryżu, Martinis był doktorantem.
| Laureat | Urodzony | Doktorat | Dziś |
|---|---|---|---|
| John Clarke | 1942, Cambridge | 1968, Uniwersytet w Cambridge | Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley |
| Michel H. Devoret | 1953, Paryż | 1982, Université Paris-Saclay | Yale, Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara, Google Quantum AI |
| John M. Martinis | 1958 | 1987, Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley | Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara, Qolab |
John Clarke
Urodzony w 1942 roku w Cambridge, doktorat obronił tam w 1968 roku, a rok później dołączył do wydziału w Berkeley i zbudował własną grupę badawczą wokół nadprzewodników i złącza Josephsona. O telefonie z Komitetu Noblowskiego powiedział, że delikatnie mówiąc, było to zaskoczenie jego życia.
Michel H. Devoret
Urodzony w 1953 roku w Paryżu, doktorat obronił w 1982 roku na Université Paris-Saclay, a do Berkeley przyjechał z francuskiego ośrodka badań jądrowych w Saclay. Jest profesorem Yale i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, a w Google Quantum AI odpowiada za sprzęt kwantowy jako główny naukowiec.
John M. Martinis
Urodzony w 1958 roku, doktorat zrobił w 1987 roku w Berkeley, już po nagrodzonych eksperymentach. W 2014 roku zorganizował w Google grupę sprzętu kwantowego i kierował nią do 2020 roku. Dwa lata później współzałożył firmę Qolab, gdzie jako dyrektor techniczny pracuje nad wytwarzaniem kubitów metodami przemysłu półprzewodnikowego.
Pytania o Nobla z fizyki 2025
Za co przyznano Nagrodę Nobla z fizyki w 2025 roku?
Za odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym, czyli za pokazanie, że cały obwód potrafi zachowywać się jak pojedynczy obiekt kwantowy. Werdykt ogłoszono 7 października 2025 roku.
Czym jest tunelowanie kwantowe?
Przejściem przez barierę, której zgodnie z fizyką klasyczną pokonać się nie da. Piłka rzucona w ścianę zawsze się odbije, a cząstka czasem pojawi się po drugiej stronie. Od 1928 roku zjawisko wyjaśnia rozpad promieniotwórczy ciężkich jąder.
Co znaczy makroskopowe tunelowanie kwantowe?
To samo zjawisko zachodzące w układzie złożonym z ogromnej liczby cząstek, a nie w jednej. W doświadczeniach z Berkeley tunelował obwód na chipie wielkości około centymetra, w którym miliardy par elektronów zachowywały się jak jeden obiekt.
Czym jest kubit?
Nośnikiem informacji w komputerze kwantowym. W wersji nadprzewodnikowej to obwód o policzalnych poziomach energii, gdzie najniższy poziom znaczy zero, a pierwszy wyżej jeden. Właśnie tę kwantyzację energii pokazali laureaci.
Czy Nagrodę Nobla z fizyki w 2025 roku podzielono?
Tak, na trzy równe części między Johna Clarke’a, Michela H. Devoreta i Johna M. Martinisa. Cała pula wynosiła 11 mln koron szwedzkich.
Kto dostał Nagrodę Nobla za złącze Josephsona?
Brian Josephson, w 1973 roku, za obliczenie właściwości prądu przez barierę tunelową. Dostał połowę nagrody, a drugą połowę Leo Esaki i Ivar Giaever za doświadczenia nad tunelowaniem.