Švedijos karališkoji mokslų akademija 2025 m. Nobelio fizikos premiją skyrė trims JAV mokslininkams – Johnui Clarke’ui, Micheliui Devoretui ir Johnui Martinisui. Jie apdovanoti už fundamentalius atradimus, susijusius su makroskopiniu kvantiniu tuneliavimu ir energijos kvantavimu elektros grandinėse.
Šie proveržiai suformavo pagrindą šiuolaikinėms kvantinėms technologijoms: nuo itin tikslių jutiklių iki itin sparčių kvantinių kompiuterių, veikiančių superlaidžių kubitų pagrindu.
Simbolinis kvantinės fizikos šimtmetis
Pasak Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto mokslininkės dr. Maženos Mackoit-Sinkevičienės, ši Nobelio premija pasižymi ypatingu simbolizmu, nes šiemet sukanka lygiai šimtas metų nuo kvantinės fizikos gimimo.
„Kvantinė fizika iš esmės pakeitė mūsų supratimą apie materiją ir jos elgesį. Šių metų laureatų darbai prasmingai užbaigia šimtmetį – jie sujungia teorinius kvantinės fizikos pagrindus su technologijomis, leidžiančiomis kvantinius reiškinius valdyti praktikoje“, – pabrėžia M. Mackoit-Sinkevičienė.
Kaip dalelė pereina kiaurai sieną
Kvantinė fizika remiasi dviem kertinėmis idėjomis: dalelės pasižymi dvejopa prigimtimi (elgiasi ir kaip dalelės, ir kaip bangos) ir jų būsenas galima tiksliai aprašyti matematiškai (pasitelkiant Šriodingerio lygtį).
Vienas įspūdingiausių reiškinių, kurį prognozuoja ši teorija, yra kvantinis tuneliavimas. Klasikinėje fizikoje, jei kamuolys neturi pakankamai energijos kalvai įveikti, jis sustoja. Kvantiniame pasaulyje dalelė gali „prasiskverbti“ pro energetinį barjerą – tarsi kiaurai pereiti per sieną. Šiuolaikiniai optoelektronikos įtaisai, pavyzdžiui, tuneliniai diodai, veikia būtent dėl šio efekto.
Ankstesni 1973 m. Nobelio laureatai jau buvo patvirtinę tuneliavimą mikropasaulyje (puslaidininkiuose ir superlaidininkų sandūrose).
Proveržis makroskopinėje sistemoje
Šių metų laureatų – J. Clarke’o, M. Devoreto ir J. Martiniso – darbas tapo revoliuciniu, nes jie įrodė, kad kvantinė mechanika galioja ne tik mikroskopiniame, bet ir makroskopiniame lygmenyje.
Jie parodė, kad visa superlaidžioji kvantinė grandinė gali elgtis kaip viena kvantinė sistema: ji kolektyviai tuneliuoja tarp skirtingų būsenų ir turi diskrečius energijos lygmenis, lygiai kaip atskira dalelė.
Šis esminis atradimas leido sukurti šiuolaikinius kvantinius kompiuterius, pagrįstus superlaidžiais kubitais, ir žymi perėjimą nuo teorinio kvantinių reiškinių aprašymo prie praktinio jų valdymo technologijose.
Dažniausiai užduodami klausimai
Kodėl šis Nobelio apdovanojimas už kvantinį tuneliavimą yra svarbus paprastam žmogui ir kokių „gerų naujienų“ galime tikėtis?
Šis apdovanojimas žymi lūžio tašką: nuo teorinės kvantinės fizikos pereinama prie praktinių, realų poveikį turinčių technologijų. Laureatų darbai leido sukurti stabilų pagrindą kvantiniams kompiuteriams ir itin tiksliems jutikliams. Tai reiškia greitesnį vaistų kūrimą, radikaliai galingesnius skaičiavimus (revoliucionuosiančius dirbtinį intelektą) ir naujas galimybes medicininėje diagnostikoje, o tai tiesiogiai pagerins mūsų gyvenimo kokybę ateityje.
Kas yra kvantinis tuneliavimas ir ar jis jau naudojamas šiandieninėse technologijose?
Kvantinis tuneliavimas – tai kvantinės fizikos reiškinys, kai dalelė gali ‘prasiskverbti’ pro energijos barjerą, nors, pagal klasikinę fiziką, ji neturi pakankamai energijos tai padaryti (tarsi pereitų kiaurai sieną). Nors šis reiškinys skamba kaip mokslinė fantastika, jis jau naudojamas kasdieninėje elektronikoje, pavyzdžiui, puslaidininkiniuose dioduose ir jūsų telefono ‘Flash’ atmintyje. Šių metų Nobelio laureatai parodė, kaip šį efektą valdyti didesnėse elektros grandinėse, atveriant kelius naujos kartos prietaisams.
Kokių supergreitų ateities technologijų galime tikėtis, remiantis šiais atradimais?
Šie atradimai tiesiogiai veda prie dviejų pagrindinių technologijų proveržių. Pirma, tai – kvantiniai kompiuteriai, kurie, naudodami kvantinės fizikos principus, galės atlikti skaičiavimus milijardus kartų greičiau nei galingiausi šių dienų superkompiuteriai. Antra, bus sukurti itin jautrūs kvantiniai jutikliai, kurie, pavyzdžiui, galės aptikti labai silpnus signalus žmogaus smegenyse, padėsiantys tobulinti mediciną ir navigacijos sistemas.
Koks yra Lietuvos mokslininkų vaidmuo plėtojant kvantinę fiziką ir kodėl VU mokslininkė komentuoja šią Nobelio premiją?
Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto mokslininkė dr. Mažena Mackoit-Sinkevičienė pabrėžia šios Nobelio premijos simbolinę reikšmę, sutampančią su kvantinės fizikos gimimo šimtmečiu. Lietuvos mokslininkai aktyviai dirba kvantinių technologijų srityje ir prisideda prie šių fundamentalių žinių sklaidos. Jų dalyvavimas užtikrina, kad Lietuva neatsiliktų nuo pasaulinių mokslo tendencijų ir ruoštų aukštos kvalifikacijos specialistus ateities ‘kvantiniam šuoliui’.
Komentarai