Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2025

Nagroda Nobla z Fizyki została przyznana Johnowi Clarke’owi, Michelowi H. Devoretowi oraz Johnowi M. Martinisowi „za odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym”.

Kot Schrödingera nie jest już kotkiem
Maciej Zgirski i Marek Foltyn, CoolPhon Group, MagTop, ON6.4

Zjawiska takie jak tunelowanie kwantowe czy kwantyzacja energii zwykle kojarzone są z zachowaniem pojedynczych atomów lub cząsteczek. Elektrony zajmują orbitale o określonej energii i mogą zmieniać swój stan, pochłaniając lub emitując ściśle określone kwanty energii – fotony. W Słońcu, za sprawą tunelowania przez barierę kulombowską, dochodzi do fuzji dwóch protonów, w wyniku której powstaje deuter. Ale czy możemy rozszerzyć bezpośrednie zastosowanie mechaniki kwantowej na obiekty makroskopowe, czyli widoczne gołym okiem?

Okazuje się, że możemy. Tegoroczna Nagroda Nobla została przyznana „za odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym”. W dwóch przełomowych eksperymentach (Phys. Rev. Lett. 55, 1908 (1985), Phys. Rev. Lett. 55, 1543 (1985)) laureaci John Clarke, Michel Devoret i John Martinis wykazali, że te dwa zjawiska, będące fundamentem mechaniki kwantowej, mogą być obserwowane również w przypadku makroskopowych, sztucznie zdefiniowanych obiektów. Badali oni proces przełączania tunelowego złącza Josephsona typu Nb-NbO_x-PbIn ze stanu nadprzewodzącego do stanu dyssypatywnego. Złącze takie umieszczone w odpowiednio zdefiniowanym obwodzie elektrycznym (rys.1) i zasilane prądem elektrycznym znajduje się w metastabilnym stanie nadprzewodzącym. Zmierzony przy najniższych temperaturach (< 30 mK) czas życia w stanie nadprzewodzącym okazał się znacznie krótszy niż przewidywany na podstawie klasycznego wzbudzenia termicznego, co wskazywało na zaobserwowanie nowego mechanizmu przełączenia. Laureaci zidentyfikowali ten mechanizm jako Makroskopowe Tunelowanie Kwantowe (ang. Macroscopic Quantum Tunneling – MQT), tj. proces, w którym stan kolektywny wielu par Coopera przełącza się między dwiema makroskopowymi funkcjami falowymi, mimo że konfiguracje te są rozdzielone barierą uniemożliwiającą klasyczną zmianę (rys.2). W odróżnieniu od tunelowania, które możemy zaobserwować w przestrzeni rzeczywistej, MQT zachodzi w przestrzeni fazy nadprzewodzącej i wiąże się z jej nagłą zmianą, prowadzącą do pojawienia się niezerowego napięcia mierzonego na złączu (rys.2).

Zanim nastąpi przełączenie prąd elektryczny przepływający przez złącze oscyluje wokół lokalnego minimum energii. Jest to w istocie znane zachowanie oscylatora harmonicznego. Przy wystarczająco niskich temperaturach oscylator zostaje zdominowany przez efekty kwantowe i energia makroskopowego prądu oscylacyjnego ulega kwantyzacji (rys. 2). Im wyższa energia stanu kwantowego, tym łatwiejsze przełączenie. Laureaci byli w stanie uchwycić ten efekt wzbudzając rezonansowo poziomy energii za pomocą mikrofal i mierząc skrócenie czasu życia stanu nadprzewodzącego przy spodziewanych częstotliwościach fotonów. Możliwość oddziaływania na złącza za pomocą fotonów mikrofalowych i wymuszania przejść sprawia, że zaprojektowany układ przypomina atom. Z kolei sam proces przełączenia można postrzegać jako analogiczny do rozpadu promieniotwórczego. Ponieważ potencjał, w którym uwięziona jest funkcja falowa (rys.2) nie jest idealnie paraboliczny mamy do czynienia z oscylatorem anharmonicznym, w którym odstępy między poziomami energetycznymi nie są równe.

Pionierskie badania nagrodzone tegorocznym Noblem zapoczątkowały dziedzinę elektroniki kwantowej, w której obwody elektryczne są opisywane całkowicie za pomocą mechaniki kwantowej, a ich komponenty mogą być traktowane jak sztuczne atomy. Najbardziej znanym przykładem takiego układu jest kubit nadprzewodzący, obecnie lider wyścigu, którego metą ma być pierwszy komercyjny komputer kwantowy.

Rys.1: Lewy panel: Tunelowe złącze Josephsona z zaznaczoną różnicą fazy pomiędzy nadprzewodnikami (S) rozdzielonymi cienką warstwą izolatora (I). Prawy panel: Schemat zastępczy obwodu elektrycznego zawierającego złącze. Z punktu widzenia obwodu złącze (symbol X na schemacie) zachowuje się jak nieliniowa indukcyjność. Razem z kondensatorem tworzy ono oscylator anharmoniczny, dla którego energie prądu oscylującego w obwodzie są skwantowane.

Rys.2: Lewy panel: Kolektywna (makroskopowa) funkcja falowa wielu par Coopera, uwięziona w lokalnym minimum potencjału opisuje prąd nadprzewodzący płynący przez złącze. Funkcja falowa przenika przez barierę potencjału umożliwiając systemowi makroskopowe tunelowanie w przestrzeni fazy nadprzewodzącej. Prowadzi to do powstania napięcia na złączu, które można mierzyć eksperymentalnie. Na rysunku przedstawiono schematycznie funkcję falową stanu podstawowego oraz cztery stany energetyczne. Rozmycie kwantowe nadprzewodzącej fazy jest analogiczne do delokalizacji cząstki kwantowej uwięzionej w potencjale zdefiniowanym w przestrzeni rzeczywistej i oznacza, że prąd płynący przez złącze nie ma dobrze określonej wartości, ale jest wyrażony przez superpozycję wielu makroskopowych prądów, z których każdy płynie z prawdopodobieństwem zadanym przez funkcję falową. Prawy panel: Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza. Jeżeli prąd zasilający złącze jest dostatecznie wysoki, wtedy znajduje się ono w stanie metastabilnym i stochastycznie przełącza się do stanu o niezerowym napięciu.