Laureati ovogodišnje Nobelove nagrade za fiziku proglašeni su 7. listopada: John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis nagrađeni su za „otkriće makroskopskog kvantnog tuneliranja i kvantizacije energije u elektroničkom krugu“. Njihov rad, započet sredinom osamdesetih, pokazao je da se čudesna pravila kvantne mehanike ne gase kad skaliramo ljestvicu, nego mogu funkcionirati i u elektroničkom krugu veličine računalnog čipa.

Kvantna fizika izlazi izvan subatomskog svijeta

Klasici fizike razdvojili su svemir na dva svijeta: u onom svakodnevnom i opipljivom jabuke padaju na glavu i struja teče kroz bakrenu žicu, dok je s druge strane zida stavljen neuhvatljivi i neopipljivi fizikalni svijet, onaj u kojem se subatomske strukture ponašaju kako im je volja - kao valovi i čestice, kao masa ili kao energija... ili sve to istovremeno. 

Ovogodišnji Nobrelovi laureati su taj zid probili - i to doslovno. Pomoću supravodljivog kruga – materijala koji provodi struju bez otpora – i tankog sloja izolatora, poznatog kao Josephsonov spoj, stvorili su sustav koji omogućuje električnim strujama da se ponašaju kao golemi kvantni objekti.

U takvom sustavu struja može „proći kroz zid“ – kvantno tunelirati kroz energetsku barijeru. I ne samo to: sustav apsorbira i emitira energiju u točno odmjerenim količinama - kvantima. Drugim riječima, događa se nešto što se vidi osciloskopom i ne postoji samo u teoriji, a pritom se ipak ponaša se kao gigantska subatomska čestica ili val. To je bio trenutak u kojem su fizičari shvatili da kvantni svijet ne mora biti ograničen na mikroskopske razmjere. Zid između kvantnog i klasičnog pokazao se – poroznim.

Tko su laureati?

John Clarke s Kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyju bio je pionir istraživanja supravodljivih uređaja i kvantnih senzora. On je uspostavio eksperimentalne temelje za mjerljivo kvantno tuneliranje.

Michel H. Devoret, danas profesor na Yaleu, u Clarkov laboratorij donio je metodičnost i razumijevanje kvantnih oscilatora. Njegov je rad kasnije otvorio vrata kvantnim krugovima koji danas služe kao osnovni elementi kvantnih računala.

John M. Martinis, tada doktorand, bio je čovjek koji je sve to spojio – ne samo u teoriji, već doslovno. Njegove su ruke podešavale krug, eliminirale šumove i snimale podatke koji su dokazali da kvantni efekti mogu preživjeti u svijetu „velikih“.

Njih trojica dijele nagradu vrijednu 11 milijuna švedskih kruna, ali i nešto važnije: status fizičara koji su dokazali da se granice između svijeta ideja i svijeta stvarnosti mogu pomicati, pa i brisati.

Eksperimenti koji su prkosili intuiciji

Eksperimenti su provodili s iznimnom preciznošću i u strogo kontroliranim uvjetima, na razini koja je tada predstavljala vrhunac eksperimentalne fizike. Strujni krug je bio ohlađen na temperature bliske apsolutnoj nuli, svaki vanjski signal pažljivo filtriran i odstranjen, a mjerenja vremena su se bilježila u nanosekundama.

Clarke, Devoret i Martinis pokazali su da kvantno tuneliranje nije samo stvar pojedinačnih čestica, već se može promatrati i mjeriti u velikom sustavu koji sadrži milijarde elektrona. Kvantno ponašanje više nije bilo rezervirano za subatomske čestice: pojavilo se, opaženo je i izmjereno u makroskopskom, inženjerski izrađenom uređaju.

Njihov rad postavio je temelje onome što danas nazivamo kvantnim računalima. Jer ako se može kontrolirati kvantno stanje makroskopskog sustava, tada se može i pohraniti, obrađivati i čitati kvantna informacija. Drugim riječima – put od teoretske fizike do kvantnog procesora počeo je upravo na njihovom laboratorijskom stolu.

Od hladnih laboratorija do toplih procesora

Ono što je tada bila čista radoznalost, danas je temelj novog tehnološkog poretka i most između teorijske fizike i industrijskog inženjerstva. Kvantni fenomeni u makroskopskim sustavima omogućili su razvoj kvantnih bitova (kubita), kvantnih senzora i kvantnih komunikacijskih mreža, ali i novih pristupa u kriptografiji, detekciji gravitacijskih valova te ultraosjetljivim mjernim uređajima. Njihovo otkriće ne pripada samo povijesti fizike – ono je karta, kompas i nacrt za budućnost računarstva i šireg tehnološkog ekosustava.

Supravodljivi krugovi koje su konstruirali sada su standardni eksperimentalni modeli i referentna točka za cijelu generaciju istraživača. Koriste se u laboratorijima diljem svijeta, od Berkeleya do Tokija, a varijacije istih principa stoje iza IBM-ovih i Googleovih kvantnih čipova, kao i u razvoju hibridnih klasično-kvantnih procesora. Kvantno tuneliranje i kvantizacija – nekad čisti poetski izrazi – danas su tehnološki alati, temelj nove paradigme u kojoj se granica između fizičkih i digitalnih svjetova počinje brisati.

Kakoto, kakoto?

Na lijevoj slici nema napona: poluga je u položaju „isključeno“, a postoji materijalna prepreka za njeno prebacivanje u donji, „uključeni“ položaj. Odjednom se, međutim, pojavljuje napon - kao da se poluga prebacila s „isključeno“ na „uključeno“ unatoč prepreci. Ono što se dogodilo naziva se kvantni efekt tuneliranja – pojava koja omogućuje da čestica „probije“ energetsku barijeru iako prema klasičnoj fizici za to nema dovoljno energije.

U svijetu mikroskopskih čestica (elektrona, protona, pa i kooperativnih stanja poput supravodljivih parova elektrona) položaj i energija nisu strogo određeni nego opisani vjerojatnošću. Ta vjerojatnosna funkcija ne prestaje naglo na rubu prepreke, nego „curi“ malo i unutar nje. Ako je prepreka dovoljno tanka ili ako kvantni sustav dovoljno dugo „pokušava“, postoji mala, ali stvarna šansa da se čestica pojavi s druge strane – kao da je prošla kroz zid.

U eksperimentu s makroskopskim kvantnim tuneliranjem ne radi se o jednoj čestici, nego o kolektivnom kvantnom stanju – recimo o elektronskom supravodljivom paru u Josephsonovom spoju. To stanje može kvantno „preskočiti“ iz jednog stabilnog energetskog minimuma u drugi, iako se između njih nalazi potencijalna barijera. Rezultat toga prijelaza vidi se kao iznenadna pojava napona.

A što je "pogon" tim česticama, što ih "gura" kroz Josephsonov spoj? Upravo u tom pitanju se nalazi suština kvantne čudnovatosti Josephsonovog efekta. Ne „gura“ ih klasični napon, barem ne u osnovnoj verziji efekta. U Josephsonovom spoju — tankom izolacijskom sloju između dvaju supravodiča — čestice koje tuneliraju nisu pojedinačni elektroni, nego Cooperovi parovi: parovi elektrona u supravodljivom stanju koji se ponašaju kao jedna kvantna cjelina s fazom valne funkcije.

U DC Josephsonovom efektu (bez napona) pogon ne dolazi od električnog polja, nego od razlike faze supravodljivih valnih funkcija između dvaju supravodiča. Ta fazna razlika djeluje kao svojevrsni „kvantni tlak“ koji tjera Cooperove parove da tuneliraju kroz barijeru — i tako stvori struju bez napona. To je kao da u dva bazena s vodom postoji membrana između, a razlika u visini vode (odnosno fazi) tjera dio tekućine da curi kroz membranu, iako je ta membrana fizička prepreka.

U AC Josephsonovom efektu, kad se napon ipak primijeni, ta fazna razlika počinje oscilirati, pa kroz spoj teče izmjenična supravodljiva struja s frekvencijom proporcionalnom naponu (f = 2eV/h). U slučaju makroskopskog kvantnog tuneliranja koji ilustrira slika s prekidačima, sustav „preskoči“ iz jednog stabilnog energetskog minimuma u drugi zbog fluktuacija faze — to jest, kvantne nesigurnosti u toj fazi, čak i kad nema vanjskog napona.

Kvantni red u kaosu svemira

Kao što su ovogodišnji laureati iz fiziologije ili medicine prozvani „čuvarima imunosnog reda“, Clarke, Devoret i Martinis mogli bi se nazvati „čuvarima kvantnog reda“. Pokazali su da u kvantnom svijetu koji se čini kaotičnim i nepredvidivim postoji skrivena, suptilna pravilnost – i da tu uređenost moguće promatrati, mjeriti, pa i koristiti.

Njihov rad spaja filozofiju i fiziku, apstrakciju i primjenu. U doba kada sve više tehnologije pokušava iskoristiti kvantne efekte, trojica ovogodišnjih Nobelovaca podsjećaju nas da je granica između znanstvene fantastike i stvarnosti ponekad fascinantno tanka - kao i Josephsonov spoj.

Nobelova nagrada za fiziku 2025. nije samo priznanje trima fizičarima – to je priznanje hrabrosti da se uopće zamisli da kvantni, subatomski svijet može biti skaliran u makroskopske dimenzije. Otvorili su vrata mogućnosti da sve što je danas „nano“, sutra može postati „makro“. U kvantnom svijetu, čini se, granice postoje - samo dok ih ne prijeđemo.