A kvantumfizika kézzelfoghatóvá tételének jelentősége - ezért ítélték oda az idei fizikai Nobel-díjat.

Idén a fizikai Nobel-díjat John Clarke, Michel H. Devoret és John M. Martinis érdemelte ki, akik a "makroszkopikus kvantummechanikai alagúteffektus és az energiakvantálás felfedezéséért egy elektromos áramkörben" kapták meg ezt a rangos elismerést. Bár egy átlagos ember számára talán nem sokat mond ez a kifejezés, a tudósok munkája kulcsfontosságú lehet a kvantumszámítógépek jövőbeli fejlődésében. Az ő kutatásaik révén új távlatok nyílnak meg a számítástechnika világában, amely forradalmasíthatja a technológiát, amellyel mindennapi életünket élhetjük.

A kvantumszámítógépek különböző technológiai megvalósításai közül napjainkban több ígéretes megoldás is versenyez egymással, és ezek közül az egyik legelőrehaladottabb a szupravezető alapú kvantumszámítógép, amelyen mindhárom díjazott dolgozott. Az idei fizikai Nobel-díjra való jelölést az is indokolja, hogy a kvantummechanika elmélete pontosan száz éve látott napvilágot: ekkor publikálta Werner Heisenberg és Erwin Schrödinger azokat az alapvető elméleteket, amelyek felfedték, hogy az elektronok viselkedése nem magyarázható a klasszikus fizika keretein belül. Ez idő óta tudjuk, hogy olyan jelenségek, mint a hullámfüggvény vagy a szuperpozíció, az anyag legmélyebb szintjén befolyásolják a világ működését.

„Ezek a jelenségek akkor működnek hatékonyan, ha csak néhány elektronról van szó, azonban az áramkörökben sok elektron egyidejűleg mozog, és általában viszonylag magas hőmérsékleten. A kvantumeffektusok pedig érzékenyebbek a hőmérséklet emelkedésére, és az elektronok közötti kölcsönhatások is zavarhatják ezeket a jelenségeket" - nyilatkozta Asbóth János, a Budapesti Műszaki Egyetem Elméleti Fizika Tanszékének egyetemi docense a Telexnek.

A legújabb Nobel-díjas kutatók rávilágítottak arra, hogy valójában lehetséges kvantumeffektusokat megfigyelni elektromos áramkörökben, de ennek feltétele, hogy az áramkörök szupravezető anyagokból épüljenek fel.

A szupravezető áramkörökben az elektromos áram gyakorlatilag ellenállás nélkül áramlik, ami rendkívüli jelenséget eredményez. Ez azt jelenti, hogy ha az áram egyszer elindul, elméletben végtelen ideig keringhet anélkül, hogy energiaveszteség lépne fel – se nem melegszik, se nem gyengül, és nem áll meg. Normál fémek esetében az elektronok mozgását az atomrács vibrációi és a különféle szennyeződések gátolják. Ezek a tényezők felelősek az elektromos ellenállásért és a hőtermelésért. Azonban, ha bizonyos anyagokat rendkívül alacsony hőmérsékletre (néhány kelvinre, tehát közel az abszolút nullához) hűtünk le, az elektronok viselkedése gyökeresen megváltozik. Ilyenkor párokat alkotnak, amelyeket Cooper-pároknak nevezünk, és ezek a párok együttesen, mint egyetlen kvantumállapot, harmonikusan mozognak.

"A kvantummechanika világában egy-egy objektumhoz mindig tartozik egy hullámfüggvény. Viszont a szupravezetés esetében számos elektron osztozik egy közös hullámfüggvényen. Ennek következtében a kvantummechanika által leírt különös jelenségek – mint a szuperpozíció, a kvantumos összefonódás és az alagúteffektus – a sok elektron közös szupravezető állapota révén megvalósulhatnak" - fejtette ki a szakértő.

A Nobel-díj most azért járt, mert ugyan ilyen kvantummechanikai viselkedéseket nagyon kicsi, mikroszkopikus rendszerekben már sikerült megfigyelni, makroszkopikus, vagyis nagyobb rendszerekben, például elektromos áramkörökben a három kutató munkája előtt még nem. A "nagyobb" itt a mikroszkopikus méretekhez képest értendő: a Nobel-díj weboldalán az áll, hogy maga a szupravezető csip egy négyzet-centiméteres volt, tehát már szabad szemmel is látható.

Egy tipikus áramkörben az elektronok kölcsönhatásba lépnek egymással, ami miatt a kvantumhatások nem igazán érvényesülnek, vagy legalábbis nagyon gyengén érzékelhetőek. "Ha azonban a szupravezetők világáról beszélünk, akkor az elektronok képesek kollektíven egy hullámfüggvénybe rendeződni. Először párba állnak, ezeket nevezzük Cooper-pároknak. Az áramkörben helyet kapott két, hétköznapi fémből készült vezeték, melyeknek hőmérséklete viszonylag alacsony. Közöttük egy szigetelő réteg található, például rozsda, és ezen a rétegen keresztül képesek áthaladni a Cooper-párok" - magyarázta a szakértő.

Ezt a réteget Josephson-átmenetnek nevezzük, és amikor az elektronok ezen a rétegen áthaladnak, kvantum-alagutazás történik. A Cooper-párok ebben a környezetben úgy viselkednek, mintha egyetlen, koherens részecskét alkotnának, amely az egész elektromos áramkört betölti. Ezek az apró, nanométeres méretű átmenetek képezik a kvantumszámítógépek alapvető építőköveit. A kvantummechanika ezt a kollektív állapotot egy közös hullámfüggvénnyel modellezi, amelynek jellemzői kulcsszerepet játszanak a díjazottak kísérletének megértésében.

Asbóth János megjegyezte, hogy a szupravezetők azon képessége, hogy ellenállás nélkül vezetik az áramot, jelenleg még nem terjedt el széles körben. "Érdekes, hogy egy ennyire alapvető jelenségről van szó, amelyet már több mint egy évszázada felfedeztek, és valahogy mégsem találkozhatunk vele mindenütt. A mindennapi eszközeink között alig akad olyan, amely szupravezető lenne. Az egyetlen jelentős alkalmazás, amivel a közönség szembesülhet, az MRI-gépekben található szupravezető mágnes. Ezen kívül alig van más példa" - tette hozzá.

Martinis és kollégái voltak azok, akik forradalmi előrelépést tettek a szupravezető kvantumbitek kifejlesztésében. Az ő csapatuk építette meg a Google kvantumszámítógépét, amely 2019-ben elérte a kvantumfölény mérföldkövét – egy olyan feladatot hajtott végre, amelyre a hagyományos számítógépek már nem voltak képesek reális időkeretek között. Martinis ma már saját vállalkozásában tevékenykedik, de a kvantumszámítógép-fejlesztés fundamentumait az ő alapvető hozzájárulása teremtette meg.

Magyarországon is van egyébként olyan laboratórium, ahol ilyen áramköröket vizsgálnak: a BME Fizikai Tanszékén a Nanoelektronikai Kutatólaboratóriumban dolgoznak ilyenekkel a tudósok.

Összességében ez a Nobel-díj azt a fontos felfedezést ünnepli, hogy a kvantumvilág törvényei nem csupán az atomok szintjén, hanem a makroszkopikus rendszerekben is érvényesülhetnek. Ez a felismerés pedig kulcsfontosságú lehet a működő kvantumszámítógépek kifejlesztéséhez.