Trei fizicieni, John Clarke, Michel H. Devoret și John M. Martinis, au fost recompensați cu Premiul Nobel pentru Fizică 2025 pentru o serie de experimente revoluționare care au arătat că proprietățile bizare ale lumii cuantice pot fi observate într-un sistem suficient de mare încât să poată fi ținut în mână. Mai exact este vorba de fenomenul numit tunelare cuantică: o minge aruncată spre un zid va ricoșa de fiecare dată înapoi, dar un electron ar putea „trece” prin barieră, apărând inexplicabil de cealaltă parte, potrivit comunicatului Academiei Regale de Științe din Suedia.
„Care este dimensiunea maximă a unui sistem care poate manifesta efecte cuantice?” este una dintre marile întrebări ale fizicii, iar cercetătorii John Clarke, Michel H. Devoret și John M. Martinis au demonstrat, printr-un circuit electric supraconductor, că un sistem macroscopic poate manifesta tunelare cuantică și niveluri de energie cuantificate, fenomene până acum rezervate lumii microscopice a particulelor.
Mecanica cuantică nu mai este doar o teorie a lumii invizibile, este un instrument concret, măsurabil, și, tot mai mult, un element esențial al viitorului tehnologic. Tranzistorii din microcipurile computerelor reprezintă un exemplu al tehnologiilor cuantice consacrate care ne înconjoară deja în viața de zi cu zi.
Premiul Nobel pentru Fizică din acest an oferă însă noi perspective pentru dezvoltarea generației următoare de tehnologii cuantice, precum criptografia cuantică, calculatoarele cuantice și senzorii cuantici, potrivit comunicatului de presă.
- John Clarke, născut în 1942 la Cambridge, Marea Britanie. Doctorat obținut în 1968 la Universitatea din Cambridge, Marea Britanie. Profesor la Universitatea din California, Berkeley, Statele Unite ale Americii.
- Michel H. Devoret, născut în 1953 la Paris, Franța. Doctorat obținut în 1982 la Universitatea Paris-Sud, Franța. Profesor la Universitatea Yale, New Haven, Connecticut, și la Universitatea din California, Santa Barbara, Statele Unite ale Americii.
- John M. Martinis, născut în 1958. Doctorat obținut în 1987 la Universitatea din California, Berkeley, Statele Unite ale Americii. Profesor la Universitatea din California, Santa Barbara, Statele Unite ale Americii.
Explicațiile științifice oferite în comunicatul comitetului Nobel: De la lumea particulelor la circuite supraconductoare
Mecanica cuantică descrie comportamentele care devin vizibile la nivelul unor particule individuale, unde energia și mișcarea se manifestă în pachete discrete, numite cuante. În lumea obiectelor mari, în care un măr, o bilă sau un electron par să urmeze reguli clare și previzibile, aceste efecte cuantice dispar.
O minge aruncată spre un zid va ricoșa de fiecare dată înapoi, dar un electron ar putea „trece” prin barieră, apărând inexplicabil de cealaltă parte. Acesta este fenomenul numit tunelare cuantică.
Cei trei laureați au arătat că un fenomen asemănător poate fi observat și la scară macroscopică, implicând multe miliarde de particule care acționează sincron, ca o singură entitate.
Experimentul care a adus lumea cuantică în laborator
În anii 1984–1985, John Clarke, profesor la Universitatea din California, Berkeley, împreună cu Michel Devoret și doctorandul John Martinis, au construit un circuit electric special: două materiale supraconductoare separate de un strat extrem de subțire de material izolator.
Această structură poartă numele de joncțiune Josephson, după fizicianul Brian Josephson, laureat al Premiului Nobel în 1973, care a prezis teoretic proprietățile cuantice ale acestor dispozitive.
Într-un material supraconductor, electronii se organizează în perechi Cooper, numite astfel după Leon Cooper, care împreună cu John Bardeen și Robert Schrieffer a explicat fenomenul de supraconductivitate (Premiul Nobel 1972). Aceste perechi se comportă ca o particulă colectivă unitară.
Cum au observat fizicienii tunelarea cuantică la scară mare
În experiment, cercetătorii au injectat un curent slab prin joncțiunea Josephson și au măsurat tensiunea electrică. Inițial, circuitul se afla într-o stare fără tensiune, în care curentul circula fără pierderi, iar sistemul părea blocat „în spatele” unei bariere energetice.
După un timp, însă, sistemul a „tunelizat”, adică a trecut spontan prin această barieră și a produs o tensiune electrică măsurabilă, dovadă clară a comportamentului cuantic.
Pentru a confirma comportamentul prevăzut de mecanica cuantică, cercetătorii au bombardat circuitul cu microunde de lungimi de undă diferite.
Unele dintre acestea au fost absorbite, ceea ce a făcut ca sistemul să treacă la niveluri de energie superioare, exact așa cum teoria prezice pentru sisteme cuantificate.
Cu cât sistemul avea mai multă energie, cu atât starea fără tensiune dura mai puțin, o dovadă directă că energia era absorbită și eliberată în pachete discrete numite cuante.
Pisica lui Schrödinger și pisica din laborator
Rezultatele obținute de cei trei au avut ecou profund în comunitatea științifică. Teoreticianul Anthony Leggett (Premiul Nobel 2003) a comparat experimentul lor cu celebra pisică a lui Erwin Schrödinger, gândită pentru a ilustra absurditatea aplicării principiilor cuantice la scara obiectelor obișnuite.
În celebrul experiment mental, o pisică aflată într-o cutie ar fi simultan vie și moartă, atâta timp cât nu este observată.
Deși o pisică adevărată nu poate fi plasată într-o stare cuantică de superpozitie, Clarke, Devoret și Martinis au arătat că sisteme formate din miliarde de particule pot prezenta proprietăți cuantice colective similare.
Sistemul lor, alcătuit din perechi Cooper, este incomparabil mai mic decât un organism viu, dar comportamentul său este guvernat de aceleași legi ale mecanicii cuantice care descriu lumea atomilor și a fotonilor.
Un pas uriaș între lumi
„Este extraordinar să putem celebra felul în care mecanica cuantică, veche de un secol, continuă să ne surprindă. Ea rămâne nu doar fascinantă, ci și fundamental utilă, fiind baza întregii tehnologii digitale moderne”, a declarat Olle Eriksson, președintele Comitetului Nobel pentru Fizică.
De la tunelarea cuantico-macroscopică la circuite care gândesc cuantic, cercetările laureaților din 2025 arată că granița dintre microscopic și macroscopic este mai subțire decât credeam.
Mecanica cuantică nu mai este doar o teorie a lumii invizibile, este un instrument concret, măsurabil, și, tot mai mult, un element esențial al viitorului tehnologic.
Redacția
Petru Clej
Raluca Pantazi