Овогодишња награда Нобелове физике показала је да је квантна механика велика ствар дословно

У уторак је поље квантне механике примило промишљено 100. родјендански поклон краљевске шведске академије наука: три сјајне нове медаље, 11 милиона шведских кругова (да се подели подједнако) и хвалисање права на теорију која делује на све скале.

Нобелова награда 2025. године у физици отишла је код Јохна Цларкеа, Мицхела Деворета и Јована Мартиниса за истраживање пре 40 година на Универзитету у Калифорнији, Беркелеи. Тамо је Трио Триосред са ултраЦОЛД ЕЛЕЦТРОНИЦС-ом да покаже да би се индијски квантни ефекти могли направити макроскопски и контролирани.

Квантна механика, често се каже, само описује чудно понашање врло малих ствари. Електрони не мозга не орбитују језгро Атома у добро дефинисаним петљима; Уместо тога, они постоје као магловито облак вероватноће. На овом квантном нивоу, размазана честица понекад може „тунел“, вероватно пролазећи кроз баријере, не би требало да има енергију. Све је то у шансу са нашим класичним искуством, у којем планете имају добро дефинисане орбите и куглице одскоче или прелазе преко зидова, а не у фази кроз њих.

О подржавању научног новинарства

Ако уживате у овом чланку, размислите о подршци нашем награђиваном новинарству Претплата. Куповином претплате помажете да се осигура будућност утицајних прича о открићима и идејама које данас у облику света у облику света.

Цларке, Деборет и Мартинис показали су да би спор који је видљив немогућим оком могло да учини класично немогуће: ниједан, али неких 100 квадратних електрона могло би се колективно тунел у својим границама. „То је редефиниција онога што мислимо по квантној физици“, каже Александра Блаис, квантни физичар на Универзитету у Шерброоке у Квебеку. „Ако се ставите у праве услове, појављују се квантни ефекти.“

Основно откриће је такође утрло пут до практичних апликација. „То је заиста почетак квантног електротехнике“, каже Стевен Гирвин, физичар на Универзитету Иале. Истраживачи су од како је коришћени кругови инспирисани радом трио-а за симулирање атома и осећања иначе непримећених честица. А ових дана, склопови су можда најпознатији по кубитима, грађевински блок квантних рачунара – пријава која је у великој мери преносила Нобелов одбор за физику.

Визија тунела

Ако сте били величина протона, могли бисте извести уредни квантнички трик тунензијом кроз зид 10.000 пута дебљине од себе и настали неоткривени.

„Ту је та мистерија“, каже Гирвин. „Зашто су мале ствари изгледале квантне механичке и велике ствари попут фудбала и сателити и сателити и планете прате законе класичне механике?“ Одговор, генерације квантних физичара разрадили су се, има везе са буком за животну средину. Појединачна честица може пронаћи неки мир; Триллион милијарди је попут мосх јаме. Повећајте број честица и склони сте се деликатним квантним условима, пружајући ствари класичне и окрећите свој стил странке за зид-тунелирање у болничку посету.

Постоје начини да останете квантни чак и на макроскопској скали. У суперпроводницима, као што су мултитон магнете унутар магнетних резонанца за снимање (МРИ), електрони се охладе испод критичне температуре. У овој фригидној држави електрони постају довољно жалби довољно да се заузму уобичајени отпор и не желе без трења.

Али 1981. године и даље је било нејасно да би се макроскопски квантимни системи могли ставити и у суперпозицију или комбинацију различитих држава. Другим речима: Може ли се велики број електрона ухватити између „мртвих“ и „живих“, попут хипотетичке мачке Ервин Сцхродингер? Два теоријска физичара, Тони Леггетт и Амир Цалдеира, и тада на Универзитету Суссек у Енглеској, реализовали су да тражење квантног тунела у суперпроводни круг може бити идеалан начин да одговорите на питање.

Током наредних неколико година, групе на ИБМ-у и Белл лабораторији покушале су да примете макроскопско тунелирање у уређајима под називом Јосепхсон Јунцтионс, које су кругови који су направљени од два суперпроводника раздвојена танком изолационом баријером. (Уређаји су названи за Бриан Јосепхсон, који је освојио део Нобела физике 1973. године.) Електрони могу бити у двије државе: оне их може блокирати баријером, регистровати нулту напону или могу да га очисте, или могу да га очисте, стварају га, уграђујући га. Ова двије државе одговарају неутешеним мањкама неодређеним животом или-мртвом статусом у оригиналном експерименту Сцхродинчара. „То је заиста суперпозиција“ мачке „мртве или живе“, каже Цалдеира, која је сада на Универзитету у Кампини у Бразилу.

Проблем је што само откривање напона не значи да постоји тунелирање. Електрони такође могу очистити баријеру класични начин, са ногом горе од случајне топлотне енергије, уместо тунелирања кроз њега. Није могуће елиминисати могућност термичке буке чак и на температурама једног Келвина (то је, само један степен изнад апсолутне нуле), тимови на ИБМ-у и Белл Лабс нису дефинитивно тврдили да су видели макроскопско тунелирање.

Охладити

Да би се упознали са изазовом Леггетт и Цалдеира, БЕРКЕЛЕИ ГРОУП је ишла у велику дужину да изолује свој систем из окружења стављајући свој чип од центиметра на крају цеви препун бакра у праху да га препуним буком. Затим су се охладили свој Јосепхсон Јунцтион до 0,01 Келвина.

Са њиховим уређајем хлађеним и изолованим, одвезли су струју у кругу и мерили напон. Понављани тестови показали су да су електрони прошли баријеру чак и када је топлотна бука у основи нестала. Цларке, Деборет и Мартинис имали су коначан доказ да би и макроскопски квантни предмети, попут мноштва електрона, могли, такође могле да тунел може.

Када је Сцхродингер предложио његову мисаони експеримент 1935. године, то је мислио као критика наизглед парадоксалних закључака квантна механика подразумевана на класични свет. За разлику од честица у суперпозицији, мачка није могла заправо замагљена између „мртвих“ и „живих“. Свака конфузија о држави мачака могла би се решити директним мерењем. „То нас спречава да наивно прихватамо као валидан“ замагљени модел „за представљање стварности“, у то време је Сцхродингер написао у то време, према преводу физичара Јохн Д. Тример-а. „Постоји разлика између фотографија схаки или ван фокуса и снимак облака и банака магле.“

Оно што су Цларке, Деворет и Мартинис показали да се чак и макроскопска стварност може замаглити ако је заштићена од директног контакта са ширим окружењем. Изолирањем њихових електрона из буке и боравка у ултрара температурама, успели су да донесу маглу неодређеност квантне механике у круг који би могао да држи на длану. „То је квантна механика скроз уп„, Каже Гирвин.

Прекидач

Дисцовери Беркелеи Групе такође је имало другу компоненту. Сјајом микроталаса на правој фреквенцији на кругу, открили су да је емитују и уписао енергију у дискретним „квантизованим“ комадима (знак квантних система, али не и класичних предмета). Ова врста квантизованог система пронашла је бројне употребе, као што су атоми моделирања.

На површини, суперпроводни круг изгледа ништа попут атома, што је више од милион пута мање. Али у основи то дели исту физику атома која се пребацује између земље и узбуђених стања. Последњих година истраживачи су користили овај концепт вештачког Атома за дизајн и проучавање свих врста нових атомских система.

Осјетљивост кругова такође их чини идеалним детекторима за суптилне појаве које ослобађа микроталасе. Током протекле деценије уграђени су у потрагу за хипотетичке честице тамне материје зване Акионс-Цларке, у ствари је сарадник на једном таквом пројекту, експеримент Аксион тамне материје. „То није циљ“ Беркелеи Гроуп, каже Блаис. „Али то је лепота основне науке. Имате изненађења.“

Након пробоја Трио-а средином 1980-их, дизајн круга су се побољшали у наредној деценији, тако да су се до 1999. године, физичари у Ниппону електрично друштво у Јапану могли да се хвале стварањем суперпроводничког круга који је брзо и поуздано осцилирао између два нивоа енергије – оно што сада називамо кубитом. Суперпроводни кругови су једна од водећих архитектура квантних рачунара, које користе компаније као што су Гоогле и ИБМ и истраживачи широм света. Мартинис је, посебно, познато по раду са тимом на Гоогле-у користећи такве кубите како би се прекршили квантни рачунари за рекорзију.

Подигнут овим бесним истраживачким активностима, квантно рачунање је одвело масовне и све веће количине јавности и финансирања јер компаније и земље покушавају да искористе технологију. Претешени захтеви су расипани, у многим случајевима који се прате у безумне хиперболе. Куантум рачунари нису у ствари, у ствари решили климатске промене.

Тако је дошло као нешто изненађење када је Нобелов комисија за физику избегао готово све спомињање квантног рачунара током своје најаве овогодишње награде за физику. У званичној основи најаве најаве, тема је примила само две спомене. Пажљива дисциплина одбора је исплатила и наслови вести су се више фокусирале на основну физику и мање на зупчастим апликацијама.

За многе физичаре, одсуство ХИПЕ-а је било олакшање и смањење квантног рачунања разумног избора. „Можете у потпуности оправдати важност овог експеримента без практичних импликација“, каже Гирвин. Уосталом, „Још не знамо како ће то бити практично квантно рачунање.“