Το Νόμπελ Φυσικής 2025 απονεμήθηκε στους John Clark, Michel H. DeVore και John M. Martinis για την ανακάλυψή τους σχετικά με το μακροσκοπικό κβαντικό μηχανικό tunneling και την κβαντοποίηση ενέργειας σε ηλεκτρικά κυκλώματα. Η εργασία τους απέδειξε ότι τα φαινόμενα της κβαντικής φυσικής, παραδοσιακά περιορισμένα σε μικροσκοπικά συστήματα, μπορούν να εμφανιστούν και σε συστήματα μεγάλου μεγέθους — αρκετά ώστε να τα κρατήσει κανείς στο χέρι
Ένας από αυτούς οφείλει την γέννησή του στον Adolf Hitler, ο άλλος προέρχεται από μια εργατική οικογένεια χωρίς μόρφωση, και η προσωπική ζωή του τρίτου είναι σχεδόν άγνωστη.
Αυτοί είναι οι τρεις νικητές του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής 2025 — ο John Clark, ο Michel H. DeVore και ο John M. Martinis — οι οποίοι έλαβαν το βραβείο για την ανακάλυψή τους του μακροσκοπικού κβαντικού μηχανικού τούνελ και της κβαντοποίησης ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.
Κβάντα στην παλάμη του χεριού
Ένα από τα κεντρικά ερωτήματα της φυσικής είναι ποιο είναι το μέγιστο μέγεθος ενός συστήματος στο οποίο μπορούν να εκδηλωθούν κβαντομηχανικά φαινόμενα. Το γεγονός είναι ότι τα κβάντα είναι μεταξύ των μικρότερων φυσικών μονάδων ενέργειας ή ακτινοβολίας στη κβαντομηχανική.
Οι βραβευθέντες κατάφεραν να πραγματοποιήσουν πειράματα που έδειξαν κβαντομηχανικό τούνελ σε ένα σύστημα αρκετά μεγάλο ώστε να το κρατά κανείς στο χέρι του.
«Δείξανε ότι τα κβαντομηχανικά φαινόμενα συμβαίνουν σε μεγάλα αντικείμενα. Η κβαντομηχανική συνήθως λειτουργεί για μικροσκοπικά αντικείμενα. Επιπλέον, υπάρχουν και συλλογικά κβαντικά φαινόμενα: όταν μια μεγάλη συλλογή σωματιδίων συμπεριφέρεται σαν ένα ενιαίο κβαντικό αντικείμενο. Το πείραμα των βραβευθέντων έδειξε ότι φαινόμενα που συνήθως σχετίζονται με μεμονωμένα σωματίδια μπορούν να εκδηλωθούν σε μακροσκοπικό επίπεδο, με μεγάλο αριθμό σωματιδίων. Κατάφεραν να δημιουργήσουν μια συσκευή — υπεραγώγιμα ηλεκτρικά κυκλώματα που περιέχουν πολλαπλούς φορείς φορτίου. Πρόκειται για δομές από μέταλλο, συνήθως αλουμίνιο, ορατές κάτω από μικροσκόπιο. Δεν είναι ένα μόνο άτομο, και κβαντικά φαινόμενα ήταν ορατά σε αυτές τις δομές», δήλωσε ο Stanislav Straupe, επιστημονικός διευθυντής του Κέντρου Κβαντικών Τεχνολογιών της Sber, στην Gazeta.Ru.
Η κατανόηση ότι τα κβαντικά φαινόμενα είναι δυνατά στον μακρόκοσμο άνοιξε τον δρόμο για τη δημιουργία νέων μικροηλεκτρονικών συσκευών, καθώς και ενός κβαντικού υπολογιστή βασισμένου σε υπεραγώγιμα qubits.
«Υπάρχουν ήδη αρκετοί κβαντικοί υπολογιστές στον κόσμο που λειτουργούν με υπεραγώγιμα qubits. Σε αυτούς περιλαμβάνονται οι κβαντικοί υπολογιστές της IBM και της Google. Μπορεί να ειπωθεί ότι οι βραβευθέντες πειραματίστηκαν με τους προγόνους των σύγχρονων υπεραγώγιμων qubits. Κάποιοι κβαντικοί υπολογιστές που χρησιμοποιούν υπεραγώγιμα qubits υπάρχουν και στη Ρωσία. Τέτοιες εργασίες διεξάγονται στο MISiS, στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο Bauman της Μόσχας και στο Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας», είπε ο Straupe.
Το MISiS ανέφερε στην Gazeta.Ru ότι έχει ήδη δημιουργηθεί ένας κβαντικός επεξεργαστής 16 qubit βασισμένος στα φαινόμενα που ανακάλυψαν οι βραβευθέντες.
«Είναι δίκαιο να πούμε ότι οι Martinis, Devore και Clark έδειξαν τον πρόγονο των σύγχρονων υπεραγώγιμων qubits. Οι βραβευθέντες απέδειξαν την κβαντοποίηση των ενεργειακών επιπέδων σε κύκλωμα Josephson σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αυτό το φαινόμενο αποτελεί τη βάση για υπεραγώγιμους κβαντικούς επεξεργαστές, οι οποίοι αναπτύσσονται ενεργά παγκοσμίως και στη Ρωσία. Πρόσφατα παρουσιάσαμε έναν κβαντικό επεξεργαστή 16 qubit ως μέρος του οδικού χάρτη ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών της Rosatom. Επιπλέον, η κβαντοποίηση ενέργειας σε κυκλώματα Josephson χρησιμοποιείται για τη δημιουργία κβαντικών αισθητήρων και την υλοποίηση κβαντικών επικοινωνιών. Το NUST MISIS αναπτύσσει ενεργά και τους τρεις αυτούς τομείς, συμβάλλοντας σημαντικά σε αυτόν τον πολλά υποσχόμενο τομέα», σημείωσε η Natalia Maleeva, Διευθύντρια του Κέντρου Κβαντικού Σχεδιασμού του NUST MISIS.
Πώς κατέληξαν οι φυσικοί σε αυτό το συμπέρασμα;
Ο κβαντικός κόσμος είναι αόρατος, όμως υπάρχει γύρω μας. Η ύπαρξή του ήταν άγνωστη μέχρι τον 20ό αιώνα. Μία από τις πρώτες θεμελιώδεις ανακαλύψεις, που έθεσε τα θεμέλια της κβαντομηχανικής, σχετίζεται με τον Albert Einstein.
Ανακάλυψε ότι το φως αποτελείται από ποσοστά ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Πριν από αυτό, η κυρίαρχη ιδέα ήταν ότι το φως ήταν ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Η μετέπειτα εργασία των Bohr και Schrödinger, και λίγο νωρίτερα η υπόθεση του Planck, ανέπτυξαν περαιτέρω αυτή τη θεωρία και έθεσαν τα θεμέλια της κβαντικής φυσικής.
«Το απλούστερο κβαντικό αντικείμενο είναι ένα άτομο. Ένα άτομο έχει έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα στο κέντρο του, περιβαλλόμενο από ένα ηλεκτρόνιο. Αυτά τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένα ενεργειακά επίπεδα, τα οποία στη σχολική χημεία αντιστοιχούν σε ηλεκτρονικά τροχιακά. Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένα ενεργειακά επίπεδα, κάτω από τα οποία δεν μπορούν να πέσουν. Αυτό κάνει τα άτομα σταθερά: τα ηλεκτρόνια δεν πέφτουν στον πυρήνα και δεν απορροφώνται από αυτόν. Δεδομένου ότι οποιαδήποτε ουσία αποτελείται από άτομα, ακολουθεί ότι η ύπαρξη του φυσικού μας κόσμου βασίζεται στην κβαντομηχανική», εξήγησε ο Stepan Lisovsky, Αναπληρωτής Διευθυντής της Σχολής Ηλεκτρονικής, Φωτονικής και Μοριακής Φυσικής του MIPT, στην Gazeta.Ru.
Ο κβαντικός κόσμος είναι μια σημαντική ανακάλυψη στη φυσική. Μία από τις συνέπειές του ήταν η ανάπτυξη της φυσικής στερεάς κατάστασης. Αυτή η επιστήμη εξηγεί πολλά φαινόμενα που προηγουμένως ήταν ανεξήγητα. Χάρη στη φυσική στερεάς κατάστασης, έγινε δυνατή η δημιουργία τεχνολογιών βασισμένων σε στερεά σώματα.
"Ίσως η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία που βασίζεται σε κβαντικά φαινόμενα είναι η ηλεκτρονική. Με την ανάπτυξη της φυσικής στερεάς κατάστασης, έγινε δυνατό να ελεγχθούν οι ηλεκτρονικές καταστάσεις μέσα στα στερεά. Αυτό οδήγησε στη δημιουργία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων από πυρίτιο. Όλα αυτά βασίζονται στην ανακάλυψη και ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής. Οι περισσότερες σύγχρονες τεχνολογίες βασίζονται στην κβαντική μηχανική," σημείωσε ο Lisovsky.
Προηγουμένως, τα κβαντικομηχανικά φαινόμενα ήταν πρακτικά αόρατα στον μακρόκοσμο μας, επειδή εκδηλώνονται κυρίως σε μικροσκοπική κλίμακα, χαρακτηριστική του ατόμου.
Έπειτα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν αρκετά βασικά μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα: την υπεραγωγιμότητα και την υπερρευστότητα.
Η ουσία αυτών των φαινομένων ήταν ότι σε ορισμένες θερμοκρασίες, τα σωματίδια συγχωνεύονταν σε μια ενιαία οντότητα και άρχιζαν να συμπεριφέρονται με συντονισμένο τρόπο. Αυτό εξαλείφει την τριβή μεταξύ τους.
Για να το εξηγήσουμε, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια αναλογία με την κυκλοφορία. Όταν κάθε οδηγός παίρνει τις δικές του αποφάσεις για το πώς θα κινηθεί, τα αυτοκίνητα κινούνται χωρίς συντονισμό και επομένως αργά.
Ωστόσο, αν όλα τα αυτοκίνητα υποχρεωθούν να κινηθούν ενιαία, αρχίζουν να κινούνται ως μία μονάδα και η ταχύτητά τους αυξάνεται. Το ίδιο συμβαίνει και στον κβαντικό κόσμο: τα ηλεκτρόνια ή τα άτομα ήλιου σε υπεραγωγούς και υπερρευστά αρχίζουν να συμπεριφέρονται ως ενιαία οντότητα.
Το 1984 και το 1985, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν μια σειρά πειραμάτων με ηλεκτρονικά κυκλώματα φτιαγμένα από υπεραγωγούς — εξαρτήματα που μπορούν να μεταφέρουν ρεύμα χωρίς ηλεκτρική αντίσταση — κινούμενα, όπως μηχανές, ως ενιαία μονάδα.
Οι βραβευθέντες κατάφεραν να δείξουν ότι το σύστημα συμπεριφέρεται σύμφωνα με τις προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής — είναι ποσοτικοποιημένο (quantized), δηλαδή απορροφά ή εκπέμπει μόνο μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας.
Τα τρανζίστορ στα τσιπ υπολογιστών είναι ένα παράδειγμα καθιερωμένων κβαντικών τεχνολογιών που μας περιβάλλουν. Το φετινό Βραβείο Νόμπελ στη Φυσική άνοιξε το δρόμο για την ανάπτυξη τεχνολογιών επόμενης γενιάς, περιλαμβανομένων της κβαντικής κρυπτογραφίας, των κβαντικών αισθητήρων και των κβαντικών υπολογιστών.
Το πιο σημαντικό είναι η τάξη
"Σας ευχαριστώ πάρα πολύ! Για να το θέσω κομψά, αυτή είναι η μεγαλύτερη έκπληξη της ζωής μου!" είπε ο John Clarke όταν, μετά την ανακοίνωση των βραβευθέντων με το Νόμπελ Φυσικής, η Επιτροπή Νόμπελ τον κάλεσε και του ανακοίωσε το βραβείο.
Ο John Clarke γεννήθηκε το 1942 στο Cambridge. Παρότι οι γονείς του Clarke δεν είχαν σχέση με την επιστήμη, άρχισε να σπουδάζει φυσικές επιστήμες όσο βρισκόταν ακόμα στο σχολείο και συνέχισε, αποκτώντας πτυχίο από το Cambridge University, ακολούθως μεταπτυχιακό και διδακτορικό.
"Η μητέρα μου ήταν η μεγαλύτερη από οκτώ παιδιά. Δεν πήγε στο κολέγιο. Ο πατέρας της πέθανε όταν ήταν δεκατεσσάρων, οπότε έπρεπε να δουλέψει για να στηρίξει την οικογένεια. Έγινε λογίστρια σε μια τοπική εταιρεία. Ο πατέρας μου ήταν ξυλουργός. Εμπλέχθηκε πολύ στην κατασκευή αεροδρομίων στην Ανατολική Αγγλία κατά το τέλος του πολέμου και μετά. Ήταν επίσης υπεύθυνος για αρκετά διάσημα αμερικανικά αεροδρόμια. Ήταν πολύ ενδιαφέρον γιατί κατά τις σχολικές διακοπές με έπαιρνε κάποιες φορές εκτός πόλης για να μου δείξει αυτά τα αμερικανικά αεροδρόμια.
Ήμουν το πρώτο άτομο στην οικογένειά μου που πήγε στο κολέγιο," θυμήθηκε ο Clarke το 2016 σε συνέντευξη σε συνέδριο για την εφαρμοσμένη υπεραγωγιμότητα.
Στη συνέχεια πήρε θέση στο Berkeley Physics Department, όπου παρέμεινε για το υπόλοιπο της καριέρας του. Ανελίχθηκε από επίκουρος καθηγητής το 1969 μέχρι την θέση Luis V. Alvarez Chair of Experimental Physics το 1999. Το 2010 συνταξιοδοτήθηκε ως καθηγητής στο Graduate School του Berkeley, συνεχίζοντας όμως την ενεργή του έρευνα.
"Μέχρι το τέλος του δεύτερου έτους μου ως προπτυχιακός, ήμουν απολύτως βέβαιος ότι ήθελα να ακολουθήσω έρευνα. Η επιλογή του πεδίου μου καθορίστηκε σε μεγάλο βαθμό από το πόσο θαύμαζα έναν από τους επιβλέποντές μου, τον Peter Hirsch," πρόσθεσε ο Clarke στην ίδια συνέντευξη.
Για πολλά χρόνια συνεργάστηκε ενεργά με το Cambridge University και εκλέχθηκε Fellow of Christ. Το στυλ του Clarke ήταν πάντα συγκρατημένο. Οι συνάδελφοι τον θυμούνται ως μεθοδικό, σχεδόν στοχαστικό, όσον αφορά τις μετρήσεις. Το εργαστήριό του ήταν γνωστό για την τάξη του: τα καλώδια ήταν τακτοποιημένα, τα όργανα ετικετοποιημένα και δεν υπήρχε χώρος για θόρυβο — ούτε κυριολεκτικά ούτε μεταφορικά.
Οφείλω την ύπαρξή μου στον Hitler
Ο Michel Devore γεννήθηκε στη Γαλλία. Το αρχικό του ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στην κβαντική φυσική. Μετά την ολοκλήρωση του διδακτορικού του, ο Devore άρχισε να εργάζεται στην έρευνα της μακροσκοπικής κβαντικής σήραγγας (macroscopic quantum tunneling) στο εργαστήριο του John Clarke στο University of California, Berkeley. Από το 2002, ο Devore είναι καθηγητής στο Yale University.
Από μικρή ηλικία, η μητέρα και ο πατέρας του βραβευμένου με Νόμπελ επιστήμονα συνέβαλαν στο να αναπτύξει το ενδιαφέρον του για την επιστήμη.
"Η μητέρα μου ήταν δασκάλα και ο πατέρας μου βιολόγος. Απέκτησε ιατρικό πτυχίο και λίγο μετά την ολοκλήρωση των μεταπτυχιακών του σπουδών έγινε γενετιστής. Παρακολούθησε μόνο λίγα μαθήματα φυσικής στο πανεπιστήμιο, αλλά ήταν πολύ παθιασμένος με το θέμα. Επιπλέον, επειδή εργάζονταν προσωρινά ως γιατρός επαγγελματικής υγείας σε ένα εργαστήριο φυσικής, είχε δύο καλούς φίλους που ήταν επαγγελματίες φυσικοί. Αυτό μου έδωσε την εντύπωση ότι οι φυσικοί είναι γενικά ευχάριστοι άνθρωποι και ακόμα διατηρώ αυτό το συναίσθημα μέχρι σήμερα," είπε ο επιστήμονας σε συνέντευξή του στο AIP το 2021.
Ωστόσο, δεν κατάλαβε αμέσως ότι η φυσική θα ήταν το ερευνητικό του πεδίο. Ο Devore σημείωσε ότι "δεν του άρεσε η βιολογία", αλλά η φυσική και οι άνθρωποι που την σπούδαζαν τον γοήτευσαν.
Ο επιστήμονας δεν μιλά πολύ για τα χόμπι του, αλλά σημειώνει ότι η εργασία στο εργαστήριο του δίνει ιδιαίτερη χαρά.
"Ακόμα και τώρα, συνεχίζω να νιώθω πολύ χαρούμενος στο εργαστήριο, αν και, δυστυχώς, περνάω τον περισσότερο χρόνο μου μπροστά σε έναν υπολογιστή," μοιράστηκε στην ίδια συνέντευξη.
Λίγα είναι γνωστά για την προσωπική ζωή του επιστήμονα, αλλά σε συνέντευξή του στο AIP μοιράστηκε μια ενδιαφέρουσα ιστορία από τη ζωή του:
"Ο Pierre Holtmann, ξάδερφος της μητέρας μου που επιβίωσε από το Auschwitz, μια φορά εξέπληξε όλους σε ένα οικογενειακό δείπνο λέγοντας ότι οφείλω την ύπαρξή μου στον Adolf Hitler. Ήταν προκλητικό, φυσικά, αλλά ταυτόχρονα υπήρχε βαθιά αλήθεια σε αυτή τη δήλωση. Για πολλούς Γάλλους, ο Β΄ Παγκόσμιος Πόλεμος ήταν μια πραγματική δοκιμασία. Αλλά ήταν ιδιαίτερα δύσκολος για τις οικογένειες των γονιών μου λόγω της εβραϊκής τους καταγωγής, παρότι δεν ήταν εντελώς θρησκευτικοί. <…> Η κατάσταση των γονιών μου — Γάλλων πολιτών — ίσως δεν ήταν τόσο κακή όσο θα ήταν αν είχαν γεννηθεί στην Ολλανδία, όπου το ποσοστό επιβίωσης των Εβραίων κατά τον πόλεμο ήταν μόνο 5%, ενώ στη Γαλλία ήταν περίπου 75%," σημείωσε ο Devore.
Ένας επιστήμονας από την Google
Ο John M. Martinis, γεννημένος το 1958, είναι ο νεότερος της τριάδας των βραβευθέντων με Νόμπελ. Έχει αφιερώσει ολόκληρη την καριέρα του στην ανάπτυξη υψηλής ακρίβειας qubits που απαιτούνται για κβαντικούς επεξεργαστές σε μεγάλη κλίμακα.
Πριν ιδρύσει τη δική του εταιρεία, Qolab, ο Martinis ήταν κεντρική προσωπικότητα στο πείραμα quantum supremacy της Google. Οδήγησε την ομάδα που απέδειξε ότι ένας κβαντικός υπολογιστής υπερτερεί των καλύτερων κλασικών υπερυπολογιστών στον κόσμο.
Ο Martinis έχει χαρακτηριστεί ως "μηχανικός ανάμεσα σε φυσικούς" — ακούραστος, πρακτικός και πιο συχνά απασχολημένος με το να ρυθμίζει καλώδια παρά να συζητά για κυματοσυναρτήσεις. Ήταν ακριβώς αυτός ο ρεαλισμός που έκανε δυνατά τα πειράματα στο Berkeley, αλλά οδήγησε επίσης στο τέλος της συνεργασίας του με την Google.
"Ο στόχος μου ήταν να φτιάξω έναν χρήσιμο κβαντικό υπολογιστή για την Google. Τώρα απλώς θέλω να φτιάξω έναν χρήσιμο κβαντικό υπολογιστή για κάποιον άλλο," είπε ο Martinis στο The quantuminsider το 2020.
www.bankingnews.gr
Αυτοί είναι οι τρεις νικητές του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής 2025 — ο John Clark, ο Michel H. DeVore και ο John M. Martinis — οι οποίοι έλαβαν το βραβείο για την ανακάλυψή τους του μακροσκοπικού κβαντικού μηχανικού τούνελ και της κβαντοποίησης ενέργειας σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.
Κβάντα στην παλάμη του χεριού
Ένα από τα κεντρικά ερωτήματα της φυσικής είναι ποιο είναι το μέγιστο μέγεθος ενός συστήματος στο οποίο μπορούν να εκδηλωθούν κβαντομηχανικά φαινόμενα. Το γεγονός είναι ότι τα κβάντα είναι μεταξύ των μικρότερων φυσικών μονάδων ενέργειας ή ακτινοβολίας στη κβαντομηχανική.
Οι βραβευθέντες κατάφεραν να πραγματοποιήσουν πειράματα που έδειξαν κβαντομηχανικό τούνελ σε ένα σύστημα αρκετά μεγάλο ώστε να το κρατά κανείς στο χέρι του.
«Δείξανε ότι τα κβαντομηχανικά φαινόμενα συμβαίνουν σε μεγάλα αντικείμενα. Η κβαντομηχανική συνήθως λειτουργεί για μικροσκοπικά αντικείμενα. Επιπλέον, υπάρχουν και συλλογικά κβαντικά φαινόμενα: όταν μια μεγάλη συλλογή σωματιδίων συμπεριφέρεται σαν ένα ενιαίο κβαντικό αντικείμενο. Το πείραμα των βραβευθέντων έδειξε ότι φαινόμενα που συνήθως σχετίζονται με μεμονωμένα σωματίδια μπορούν να εκδηλωθούν σε μακροσκοπικό επίπεδο, με μεγάλο αριθμό σωματιδίων. Κατάφεραν να δημιουργήσουν μια συσκευή — υπεραγώγιμα ηλεκτρικά κυκλώματα που περιέχουν πολλαπλούς φορείς φορτίου. Πρόκειται για δομές από μέταλλο, συνήθως αλουμίνιο, ορατές κάτω από μικροσκόπιο. Δεν είναι ένα μόνο άτομο, και κβαντικά φαινόμενα ήταν ορατά σε αυτές τις δομές», δήλωσε ο Stanislav Straupe, επιστημονικός διευθυντής του Κέντρου Κβαντικών Τεχνολογιών της Sber, στην Gazeta.Ru.
Η κατανόηση ότι τα κβαντικά φαινόμενα είναι δυνατά στον μακρόκοσμο άνοιξε τον δρόμο για τη δημιουργία νέων μικροηλεκτρονικών συσκευών, καθώς και ενός κβαντικού υπολογιστή βασισμένου σε υπεραγώγιμα qubits.
«Υπάρχουν ήδη αρκετοί κβαντικοί υπολογιστές στον κόσμο που λειτουργούν με υπεραγώγιμα qubits. Σε αυτούς περιλαμβάνονται οι κβαντικοί υπολογιστές της IBM και της Google. Μπορεί να ειπωθεί ότι οι βραβευθέντες πειραματίστηκαν με τους προγόνους των σύγχρονων υπεραγώγιμων qubits. Κάποιοι κβαντικοί υπολογιστές που χρησιμοποιούν υπεραγώγιμα qubits υπάρχουν και στη Ρωσία. Τέτοιες εργασίες διεξάγονται στο MISiS, στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο Bauman της Μόσχας και στο Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας», είπε ο Straupe.
Το MISiS ανέφερε στην Gazeta.Ru ότι έχει ήδη δημιουργηθεί ένας κβαντικός επεξεργαστής 16 qubit βασισμένος στα φαινόμενα που ανακάλυψαν οι βραβευθέντες.
«Είναι δίκαιο να πούμε ότι οι Martinis, Devore και Clark έδειξαν τον πρόγονο των σύγχρονων υπεραγώγιμων qubits. Οι βραβευθέντες απέδειξαν την κβαντοποίηση των ενεργειακών επιπέδων σε κύκλωμα Josephson σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αυτό το φαινόμενο αποτελεί τη βάση για υπεραγώγιμους κβαντικούς επεξεργαστές, οι οποίοι αναπτύσσονται ενεργά παγκοσμίως και στη Ρωσία. Πρόσφατα παρουσιάσαμε έναν κβαντικό επεξεργαστή 16 qubit ως μέρος του οδικού χάρτη ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών της Rosatom. Επιπλέον, η κβαντοποίηση ενέργειας σε κυκλώματα Josephson χρησιμοποιείται για τη δημιουργία κβαντικών αισθητήρων και την υλοποίηση κβαντικών επικοινωνιών. Το NUST MISIS αναπτύσσει ενεργά και τους τρεις αυτούς τομείς, συμβάλλοντας σημαντικά σε αυτόν τον πολλά υποσχόμενο τομέα», σημείωσε η Natalia Maleeva, Διευθύντρια του Κέντρου Κβαντικού Σχεδιασμού του NUST MISIS.
Πώς κατέληξαν οι φυσικοί σε αυτό το συμπέρασμα;
Ο κβαντικός κόσμος είναι αόρατος, όμως υπάρχει γύρω μας. Η ύπαρξή του ήταν άγνωστη μέχρι τον 20ό αιώνα. Μία από τις πρώτες θεμελιώδεις ανακαλύψεις, που έθεσε τα θεμέλια της κβαντομηχανικής, σχετίζεται με τον Albert Einstein.
Ανακάλυψε ότι το φως αποτελείται από ποσοστά ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Πριν από αυτό, η κυρίαρχη ιδέα ήταν ότι το φως ήταν ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Η μετέπειτα εργασία των Bohr και Schrödinger, και λίγο νωρίτερα η υπόθεση του Planck, ανέπτυξαν περαιτέρω αυτή τη θεωρία και έθεσαν τα θεμέλια της κβαντικής φυσικής.
«Το απλούστερο κβαντικό αντικείμενο είναι ένα άτομο. Ένα άτομο έχει έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα στο κέντρο του, περιβαλλόμενο από ένα ηλεκτρόνιο. Αυτά τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένα ενεργειακά επίπεδα, τα οποία στη σχολική χημεία αντιστοιχούν σε ηλεκτρονικά τροχιακά. Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένα ενεργειακά επίπεδα, κάτω από τα οποία δεν μπορούν να πέσουν. Αυτό κάνει τα άτομα σταθερά: τα ηλεκτρόνια δεν πέφτουν στον πυρήνα και δεν απορροφώνται από αυτόν. Δεδομένου ότι οποιαδήποτε ουσία αποτελείται από άτομα, ακολουθεί ότι η ύπαρξη του φυσικού μας κόσμου βασίζεται στην κβαντομηχανική», εξήγησε ο Stepan Lisovsky, Αναπληρωτής Διευθυντής της Σχολής Ηλεκτρονικής, Φωτονικής και Μοριακής Φυσικής του MIPT, στην Gazeta.Ru.
Ο κβαντικός κόσμος είναι μια σημαντική ανακάλυψη στη φυσική. Μία από τις συνέπειές του ήταν η ανάπτυξη της φυσικής στερεάς κατάστασης. Αυτή η επιστήμη εξηγεί πολλά φαινόμενα που προηγουμένως ήταν ανεξήγητα. Χάρη στη φυσική στερεάς κατάστασης, έγινε δυνατή η δημιουργία τεχνολογιών βασισμένων σε στερεά σώματα.
"Ίσως η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία που βασίζεται σε κβαντικά φαινόμενα είναι η ηλεκτρονική. Με την ανάπτυξη της φυσικής στερεάς κατάστασης, έγινε δυνατό να ελεγχθούν οι ηλεκτρονικές καταστάσεις μέσα στα στερεά. Αυτό οδήγησε στη δημιουργία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων από πυρίτιο. Όλα αυτά βασίζονται στην ανακάλυψη και ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής. Οι περισσότερες σύγχρονες τεχνολογίες βασίζονται στην κβαντική μηχανική," σημείωσε ο Lisovsky.
Προηγουμένως, τα κβαντικομηχανικά φαινόμενα ήταν πρακτικά αόρατα στον μακρόκοσμο μας, επειδή εκδηλώνονται κυρίως σε μικροσκοπική κλίμακα, χαρακτηριστική του ατόμου.
Έπειτα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν αρκετά βασικά μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα: την υπεραγωγιμότητα και την υπερρευστότητα.
Η ουσία αυτών των φαινομένων ήταν ότι σε ορισμένες θερμοκρασίες, τα σωματίδια συγχωνεύονταν σε μια ενιαία οντότητα και άρχιζαν να συμπεριφέρονται με συντονισμένο τρόπο. Αυτό εξαλείφει την τριβή μεταξύ τους.
Για να το εξηγήσουμε, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια αναλογία με την κυκλοφορία. Όταν κάθε οδηγός παίρνει τις δικές του αποφάσεις για το πώς θα κινηθεί, τα αυτοκίνητα κινούνται χωρίς συντονισμό και επομένως αργά.
Ωστόσο, αν όλα τα αυτοκίνητα υποχρεωθούν να κινηθούν ενιαία, αρχίζουν να κινούνται ως μία μονάδα και η ταχύτητά τους αυξάνεται. Το ίδιο συμβαίνει και στον κβαντικό κόσμο: τα ηλεκτρόνια ή τα άτομα ήλιου σε υπεραγωγούς και υπερρευστά αρχίζουν να συμπεριφέρονται ως ενιαία οντότητα.
Το 1984 και το 1985, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν μια σειρά πειραμάτων με ηλεκτρονικά κυκλώματα φτιαγμένα από υπεραγωγούς — εξαρτήματα που μπορούν να μεταφέρουν ρεύμα χωρίς ηλεκτρική αντίσταση — κινούμενα, όπως μηχανές, ως ενιαία μονάδα.
Οι βραβευθέντες κατάφεραν να δείξουν ότι το σύστημα συμπεριφέρεται σύμφωνα με τις προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής — είναι ποσοτικοποιημένο (quantized), δηλαδή απορροφά ή εκπέμπει μόνο μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας.
Τα τρανζίστορ στα τσιπ υπολογιστών είναι ένα παράδειγμα καθιερωμένων κβαντικών τεχνολογιών που μας περιβάλλουν. Το φετινό Βραβείο Νόμπελ στη Φυσική άνοιξε το δρόμο για την ανάπτυξη τεχνολογιών επόμενης γενιάς, περιλαμβανομένων της κβαντικής κρυπτογραφίας, των κβαντικών αισθητήρων και των κβαντικών υπολογιστών.
Το πιο σημαντικό είναι η τάξη
"Σας ευχαριστώ πάρα πολύ! Για να το θέσω κομψά, αυτή είναι η μεγαλύτερη έκπληξη της ζωής μου!" είπε ο John Clarke όταν, μετά την ανακοίνωση των βραβευθέντων με το Νόμπελ Φυσικής, η Επιτροπή Νόμπελ τον κάλεσε και του ανακοίωσε το βραβείο.
Ο John Clarke γεννήθηκε το 1942 στο Cambridge. Παρότι οι γονείς του Clarke δεν είχαν σχέση με την επιστήμη, άρχισε να σπουδάζει φυσικές επιστήμες όσο βρισκόταν ακόμα στο σχολείο και συνέχισε, αποκτώντας πτυχίο από το Cambridge University, ακολούθως μεταπτυχιακό και διδακτορικό.
"Η μητέρα μου ήταν η μεγαλύτερη από οκτώ παιδιά. Δεν πήγε στο κολέγιο. Ο πατέρας της πέθανε όταν ήταν δεκατεσσάρων, οπότε έπρεπε να δουλέψει για να στηρίξει την οικογένεια. Έγινε λογίστρια σε μια τοπική εταιρεία. Ο πατέρας μου ήταν ξυλουργός. Εμπλέχθηκε πολύ στην κατασκευή αεροδρομίων στην Ανατολική Αγγλία κατά το τέλος του πολέμου και μετά. Ήταν επίσης υπεύθυνος για αρκετά διάσημα αμερικανικά αεροδρόμια. Ήταν πολύ ενδιαφέρον γιατί κατά τις σχολικές διακοπές με έπαιρνε κάποιες φορές εκτός πόλης για να μου δείξει αυτά τα αμερικανικά αεροδρόμια.
Ήμουν το πρώτο άτομο στην οικογένειά μου που πήγε στο κολέγιο," θυμήθηκε ο Clarke το 2016 σε συνέντευξη σε συνέδριο για την εφαρμοσμένη υπεραγωγιμότητα.
Στη συνέχεια πήρε θέση στο Berkeley Physics Department, όπου παρέμεινε για το υπόλοιπο της καριέρας του. Ανελίχθηκε από επίκουρος καθηγητής το 1969 μέχρι την θέση Luis V. Alvarez Chair of Experimental Physics το 1999. Το 2010 συνταξιοδοτήθηκε ως καθηγητής στο Graduate School του Berkeley, συνεχίζοντας όμως την ενεργή του έρευνα.
"Μέχρι το τέλος του δεύτερου έτους μου ως προπτυχιακός, ήμουν απολύτως βέβαιος ότι ήθελα να ακολουθήσω έρευνα. Η επιλογή του πεδίου μου καθορίστηκε σε μεγάλο βαθμό από το πόσο θαύμαζα έναν από τους επιβλέποντές μου, τον Peter Hirsch," πρόσθεσε ο Clarke στην ίδια συνέντευξη.
Για πολλά χρόνια συνεργάστηκε ενεργά με το Cambridge University και εκλέχθηκε Fellow of Christ. Το στυλ του Clarke ήταν πάντα συγκρατημένο. Οι συνάδελφοι τον θυμούνται ως μεθοδικό, σχεδόν στοχαστικό, όσον αφορά τις μετρήσεις. Το εργαστήριό του ήταν γνωστό για την τάξη του: τα καλώδια ήταν τακτοποιημένα, τα όργανα ετικετοποιημένα και δεν υπήρχε χώρος για θόρυβο — ούτε κυριολεκτικά ούτε μεταφορικά.
Οφείλω την ύπαρξή μου στον Hitler
Ο Michel Devore γεννήθηκε στη Γαλλία. Το αρχικό του ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στην κβαντική φυσική. Μετά την ολοκλήρωση του διδακτορικού του, ο Devore άρχισε να εργάζεται στην έρευνα της μακροσκοπικής κβαντικής σήραγγας (macroscopic quantum tunneling) στο εργαστήριο του John Clarke στο University of California, Berkeley. Από το 2002, ο Devore είναι καθηγητής στο Yale University.
Από μικρή ηλικία, η μητέρα και ο πατέρας του βραβευμένου με Νόμπελ επιστήμονα συνέβαλαν στο να αναπτύξει το ενδιαφέρον του για την επιστήμη.
"Η μητέρα μου ήταν δασκάλα και ο πατέρας μου βιολόγος. Απέκτησε ιατρικό πτυχίο και λίγο μετά την ολοκλήρωση των μεταπτυχιακών του σπουδών έγινε γενετιστής. Παρακολούθησε μόνο λίγα μαθήματα φυσικής στο πανεπιστήμιο, αλλά ήταν πολύ παθιασμένος με το θέμα. Επιπλέον, επειδή εργάζονταν προσωρινά ως γιατρός επαγγελματικής υγείας σε ένα εργαστήριο φυσικής, είχε δύο καλούς φίλους που ήταν επαγγελματίες φυσικοί. Αυτό μου έδωσε την εντύπωση ότι οι φυσικοί είναι γενικά ευχάριστοι άνθρωποι και ακόμα διατηρώ αυτό το συναίσθημα μέχρι σήμερα," είπε ο επιστήμονας σε συνέντευξή του στο AIP το 2021.
Ωστόσο, δεν κατάλαβε αμέσως ότι η φυσική θα ήταν το ερευνητικό του πεδίο. Ο Devore σημείωσε ότι "δεν του άρεσε η βιολογία", αλλά η φυσική και οι άνθρωποι που την σπούδαζαν τον γοήτευσαν.
Ο επιστήμονας δεν μιλά πολύ για τα χόμπι του, αλλά σημειώνει ότι η εργασία στο εργαστήριο του δίνει ιδιαίτερη χαρά.
"Ακόμα και τώρα, συνεχίζω να νιώθω πολύ χαρούμενος στο εργαστήριο, αν και, δυστυχώς, περνάω τον περισσότερο χρόνο μου μπροστά σε έναν υπολογιστή," μοιράστηκε στην ίδια συνέντευξη.
Λίγα είναι γνωστά για την προσωπική ζωή του επιστήμονα, αλλά σε συνέντευξή του στο AIP μοιράστηκε μια ενδιαφέρουσα ιστορία από τη ζωή του:
"Ο Pierre Holtmann, ξάδερφος της μητέρας μου που επιβίωσε από το Auschwitz, μια φορά εξέπληξε όλους σε ένα οικογενειακό δείπνο λέγοντας ότι οφείλω την ύπαρξή μου στον Adolf Hitler. Ήταν προκλητικό, φυσικά, αλλά ταυτόχρονα υπήρχε βαθιά αλήθεια σε αυτή τη δήλωση. Για πολλούς Γάλλους, ο Β΄ Παγκόσμιος Πόλεμος ήταν μια πραγματική δοκιμασία. Αλλά ήταν ιδιαίτερα δύσκολος για τις οικογένειες των γονιών μου λόγω της εβραϊκής τους καταγωγής, παρότι δεν ήταν εντελώς θρησκευτικοί. <…> Η κατάσταση των γονιών μου — Γάλλων πολιτών — ίσως δεν ήταν τόσο κακή όσο θα ήταν αν είχαν γεννηθεί στην Ολλανδία, όπου το ποσοστό επιβίωσης των Εβραίων κατά τον πόλεμο ήταν μόνο 5%, ενώ στη Γαλλία ήταν περίπου 75%," σημείωσε ο Devore.
Ένας επιστήμονας από την Google
Ο John M. Martinis, γεννημένος το 1958, είναι ο νεότερος της τριάδας των βραβευθέντων με Νόμπελ. Έχει αφιερώσει ολόκληρη την καριέρα του στην ανάπτυξη υψηλής ακρίβειας qubits που απαιτούνται για κβαντικούς επεξεργαστές σε μεγάλη κλίμακα.
Πριν ιδρύσει τη δική του εταιρεία, Qolab, ο Martinis ήταν κεντρική προσωπικότητα στο πείραμα quantum supremacy της Google. Οδήγησε την ομάδα που απέδειξε ότι ένας κβαντικός υπολογιστής υπερτερεί των καλύτερων κλασικών υπερυπολογιστών στον κόσμο.
Ο Martinis έχει χαρακτηριστεί ως "μηχανικός ανάμεσα σε φυσικούς" — ακούραστος, πρακτικός και πιο συχνά απασχολημένος με το να ρυθμίζει καλώδια παρά να συζητά για κυματοσυναρτήσεις. Ήταν ακριβώς αυτός ο ρεαλισμός που έκανε δυνατά τα πειράματα στο Berkeley, αλλά οδήγησε επίσης στο τέλος της συνεργασίας του με την Google.
"Ο στόχος μου ήταν να φτιάξω έναν χρήσιμο κβαντικό υπολογιστή για την Google. Τώρα απλώς θέλω να φτιάξω έναν χρήσιμο κβαντικό υπολογιστή για κάποιον άλλο," είπε ο Martinis στο The quantuminsider το 2020.
www.bankingnews.gr
Σχόλια αναγνωστών