Fizycy pracujący na amerykańskich uczelniach – John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis – zostali we wtorek ogłoszeni laureatami Nagrody Nobla z fizyki za odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowo-mechanicznego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym.

Znaczenie nagrodzonego Noblem odkrycia tłumaczył w rozmowie z PAP dr hab. inż. Teodor Buchner, profesor Politechniki Warszawskiej, kierownik Zakładu Fizyki Układów Złożonych i członek Rady Klastra Q – Klastra Technologii Kwantowych.

Przypomniał, że początki fizyki kwantowej sięgają 1926 r., kiedy Erwin Schrödinger opublikował podstawy mechaniki kwantowej, nagrodzone Noblem w 1933 roku. – U swych źródeł fizyka dotyczyła dużych ciał, obiektów makroskopowych; dopiero pod koniec XIX w. pojawiła się fizyka atomowa, cząsteczkowa. Fizycy zaczęli się zastanawiać, czy mikroświat można opisać tymi samymi regułami, co świat makroskopowy. Okazało się, że nie. Było to dużym zaskoczeniem, dlatego przełomowe prace Schrödingera, Heisenberga, Pauliego, Diraca czy Bohra były tak potrzebne – tłumaczył fizyk.

Inność tych reguł – jak wyjaśnił – polega na tym, że w świecie makroskopowym masie można nadać dowolną energię, na przykład rzucić przedmiot z dowolną prędkością albo kręcić nim dowolnie szybko. Natomiast w mikroświecie, jeżeli chce się nadać jakiemuś obiektowi energię, można używać tylko kwantów. – W mikroświecie niektóre wielkości są „popaczkowane”, czyli skwantowane. To tak, jakbym mógł rzucać obiekt albo wolno, albo szybko, albo jeszcze szybciej – i były to jedyne trzy takie możliwości. Tymczasem w makroskopowym świecie różne zmienne, na przykład energia albo prędkość, mają charakter ciągły – opisywał prof. Buchner.

Dodał, że elementem tej teorii mikroświata są właśnie eksperymenty dotyczące tunelowania, nagrodzone tegorocznym Noblem z fizyki. – Tunelowanie to zjawisko, które – przekładając na świat makroskopowy – można zrozumieć tak: jeżeli będę bardzo często uderzał piłką w ścianę, to w pewnym momencie piłka przez tę ścianę przeleci – tłumaczył badacz. Zjawisko tunelowania wykorzystuje się technicznie w mikroskopach lub elementach elektronicznych. W naturze występuje ono na przykład w pierwiastkach promieniotwórczych.

Prof. Buchner stwierdził, że przełom w nauce nagrodzony tegorocznym Noblem wynika stąd, że w fizyce zaczęła się przesuwać granica między tym, co dotyczy skali mikro, a co makro. – W ostatnich latach pojawiło się wiele dowodów na to, że istnieją obiekty makroskopowe, czyli z naszego „dużego” świata, które zachowują się zgodnie z regułami mikroskopowymi. Praca Clarke’a, Devoreta i Martinisa pokazuje właśnie, że bariera między mikroświatem a makroświatem nie jest tak sztywna, jak wcześniej sądzono. To kolejny z serii dowodów na kwantową naturę zjawisk makroskopowych; a takie stwierdzenie w czasach Schrödingera brzmiało jak herezja – zaznaczył.

Rozmówca PAP przyznał, że tegoroczny Nobel osobiście bardzo go cieszy. – To jest to reflektor ustawiony na styk makroświata i mikroświata, pokazujący, że istnieją tam zjawiska, o których wcześniej nie myśleliśmy. W związku z tym czas zrewidować wiele dotychczasowych poglądów – podkreślił kierownik Zakładu Fizyki Układów Złożonych.

Wśród polskich badaczy, którzy od lat podnoszą potrzebę przedefiniowania granicy między klasycznym a kwantowym, jest dr Jarosław Duda z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Prof. Buchner zaznaczył, że rozwój fizyki kwantowej przekłada się na wiele obszarów życia codziennego i gospodarki – farmację, medycynę, chemię, biologię albo bezpieczeństwo narodowe. Dzięki tej dziedzinie powstają nie tylko komputery kwantowe, ale na przykład nowoczesne czujniki radiowe i magnetyczne; czujniki chemiczne, które potrafią wykrywać bardzo niskie stężenia różnych substancji; mikroskopy tunelowe i nowe techniki obrazowania (jak te wykorzystujące splątanie kwantowe – odkrycie nagrodzone Noblem 2022) albo magnetometry, czyli bardzo czułe mierniki pola magnetycznego.

– Widzę ogromne zadania stojące przed fizyką w dialogu z innymi naukami i wiążę duże nadzieje z ruchem, który ten Nobel powinien wywołać w fizyce – stwierdził rozmówca PAP.

Zaznaczył, że również w Polsce fizyka kwantowa dynamicznie się rozwija, czego dowodem jest m.in. działalność Klastra Q – Klastra Technologii Kwantowych, w ramach którego uczelnie i przedsiębiorcy mówią jednym głosem. – Ponieważ wokół budżetu nauki toczy się obecnie niezwykle ożywiona dyskusja, to ważne, żeby w budowaniu strategii kwantowej pamiętać o takich technologiach, jak sensory, które będą miały ogromny wpływ na życie gospodarcze, a które umiemy w Polsce rozwijać i to na światowym poziomie – podkreślił.

– To jest pierwszy Nobel za odkrycie efektów kwantowych w układzie makroskopowym. Ta nagroda otwiera drogę dla nowych technologii, dla elektroniki XXI wieku, która będzie oparta na regułach mikroświata. Zdarzało się, że Noble przyznawano odkryciom, które już miały zastosowanie – tak było na przykład z rezonansem magnetycznym stosowanym w medycynie. Nagrodzona w tym roku praca to odkrycie przyszłości, które czeka na wykorzystanie. Komitet Noblowski wysłał bardzo silny sygnał, żeby się tymi kwestiami energicznie teraz zająć. Środowisko polskich fizyków, fotoników, elektroników czy inżynierów materiałowych jest gotowe na to wyzwanie – podsumował prof. Teodor Buchner.

Nauka w Polsce, Anna Bugajska (PAP)

abu/ bar/ mhr/