W laboratoriach, w których temperatura spada niemal do zera absolutnego, fizycy obserwują cuda, które przeczą intuicji. To właśnie tam trzej laureaci tegorocznej Nagrody Nobla w fizyce udowodnili, że nawet obwód elektryczny może zachowywać się jak atom i że granica między światem mikroskopowym a naszym codziennym światem staje się coraz cieńsza.
We wtorek, 7 października bieżącego roku, Komitet Noblowski w Sztokholmie ogłosił laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki: John Clarke, Michel H. Devoret oraz John M. Martinis zostali uhonorowani „za odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowego i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym”.
John Clarke, Michel H. Devoret oraz John M. Martinis, laureaci Nagrody Nobla z fizyki w 2025 r. (Źródło: Nobel Prize Outreach, Illustracja: Niklas Elmehed)
To wydarzenie to nie tylko wielki sukces naukowy, ale także kolejny przykład na to, jak abstrakcyjna, wydawałoby się, teoria – tu: mechanika kwantowa – coraz śmielej wkracza w świat technologii użytkowej.
Jak to opisał sam komitet Nagrody Nobla:
Jednym z najważniejszych pytań fizyki jest maksymalna wielkość układu, który może zademonstrować efekty mechaniki kwantowej. Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla przeprowadzili eksperymenty z obwodem elektrycznym, w których zademonstrowali zarówno tunelowanie kwantowe, jak i skwantyzowane poziomy energii w układzie na tyle dużym, że można go było trzymać w dłoni.
Dodajmy, że Nagroda ta została przyznana w roku szczególnym, bo rok 2025 to symboliczny moment – dokładnie sto lat po narodzinach mechaniki kwantowej, która zrewolucjonizowała nasze rozumienie materii i energii.
Co oznacza to ogłoszenie?
By zrozumieć wagę tej decyzji, trzeba najpierw „odczarować” kilka pojęć – postaramy się to zrobić zrozumiale i bez nadmiernego żargonu.
Mechanika kwantowa nie tylko dla atomów
Mechanika kwantowa to dział fizyki opisujący zachowanie cząstek bardzo małych: atomów, elektronów, fotonów. W świecie klasycznym – czyli takim, który znamy z codzienności – nie zachodzą zjawiska takie jak „tunelowanie kwantowe” czy „superpozycja stanów”. A jednak: laureaci wykazali, że w odpowiednich warunkach tego rodzaju zjawiska można obserwować w obwodach elektrycznych, które są większe niż pojedyncze atomy – stąd słowo „makroskopowe” (choć, tak naprawdęę, są to zjawiska nadal bardzo miniaturowe).
Tunelowanie kwantowe – czyli piłka przez mur
Wyobraźmy sobie kulę, która stacza się w dół i napotyka na mur. W fizyce klasycznej: kula albo odbija się, albo wspina się po murze, jeśli ma wystarczającą energię. Ale w świecie kwantowym: istnieje swego rodzaju „skrót przez mur” – cząstka może „tunelować” przez barierę, mimo że jej energia na to nie pozwalałaby klasycznie. To właśnie tunelowanie kwantowe.
Laureaci wykazali, że w odpowiednio skonstruowanych nadprzewodzących obwodach elektrycznych (gdzie opór jest niemal zerowy) zachodzą takie efekty: obwód zachowuje się jak „sztuczny atom”, w którym poziomy energii są skwantowane, a procesy kwantowe pojawiają się na znacznie bardziej „namacalnej” skali niż pojedyncze cząstki.
Kwantyzacja energii w obwodzie
Drugie kluczowe pojęcie dotyczy samego pojęcia poziomów energetycznych – w atomie elektron może mieć tylko pewne dozwolone poziomy. W obwodach laureaci wykazali, że analogiczne zjawisko zachodzi: obwód może przechodzić pomiędzy stanami „liczbowymi” energii. To odkrycie było przełomowe, bo łączy czystą teorię z inżynierską praktyką.
Laureaci poniekąd zatarli granicę między światem mikroskopowym a makroskopowym – pokazując, że prawa kwantowe obowiązują nie tylko w atomach, ale też w obiektach widocznych gołym okiem. Z tych sztucznych atomów narodziły się śmiałe próby budowy praktycznych maszyn informacji kwantowej.
Od obwodu elektrycznego do „sztucznego atomu”
1. Zwykły obwód elektryczny
W codziennym świecie mamy prąd, napięcie, rezystory i kondensatory. Elektrony płyną przez przewodniki, a ich zachowanie opisuje klasyczna fizyka – taka, którą poznajemy w szkole.
- Gdy zamkniemy obwód – prąd płynie.
- Gdy przerwany – nie płynie. Nie ma tu miejsca na „cuda kwantowe”.
2. Obwód staje się nadprzewodnikiem
Jeśli jednak ochłodzimy obwód do temperatury bliskiej zera absolutnego (ok. –273°C), materia zmienia swoje właściwości:
- Prąd płynie bez żadnego oporu (tzw. nadprzewodnictwo).
- Elektrony łączą się w tzw. pary Coopera i zaczynają zachowywać się jak jedna „fala”.
To właśnie takie warunki tworzą scenę dla zjawisk kwantowych w dużej skali.
3. Wchodzi efekt Josephsona
W obwodzie znajduje się tzw. złącze Josephsona – cieniutka warstwa izolatora pomiędzy dwoma nadprzewodnikami. Co się dzieje?
- Elektrony (a raczej pary Coopera) potrafią „przeskakiwać” przez izolator bez klasycznego przepływu prądu.
- To zjawisko to tunelowanie kwantowe – czysto kwantowy efekt, obserwowalny teraz w urządzeniu o wymiarach makroskopowych!
Obwód z łączeniem Josephsona był pierwszym przykładem tzw. „sztucznego atomu” – dużego układu, który zachowuje się kwantowo jak pojedynczy atom.
4. Tunelowanie kwantowe – piłka przez mur
Żeby zrozumieć, czym jest tunelowanie:
- Wyobraźmy sobie piłkę, która stacza się w dół zbocza i natrafia na mur.
- W klasycznym świecie piłka odbije się i wróci.
- Ale w świecie kwantowym – istnieje pewne prawdopodobieństwo, że… po prostu przejdzie przez mur, jakby był mgłą.
Właśnie to obserwowali laureaci w swoich nadprzewodzących obwodach – tyle że zamiast piłki, „przechodzi” tu fala elektronów, a zamisat muru występuje warstwa izolatora.
Nagroda Nobla z fizyki 2025 - Makroskopowe efekty kwantowe, Obwód Josephsona (Ilustrował A. Woźniewicz)
5. Kwantyzacja energii – czyli schodki zamiast rampy
W klasycznej fizyce energia może zmieniać się płynnie – jak samochód, który może jechać z dowolną prędkością. W świecie kwantowym tak nie jest. Energia może przyjmować tylko określone poziomy, tzw. poziomy kwantowe i przeskakiwać z poziomu na poziom a nie zmieniać się w sposób ciągły.
W nadprzewodzącym obwodzie – zamiast płynnego przepływu – obserwuje się właśnie takie skokowe zmiany energii. To dowód, że obwód zachowuje się jak sztuczny atom.
6. Obwody Josephsona = kubity
To odkrycie stworzyło podstawy nowej dziedziny: komputerów kwantowych. W nich każdy taki „sztuczny atom” jest kubitem – kwantowym odpowiednikiem bitu.
- Klasyczny bit to 0 lub 1
- Kubit: 0 i 1 występują jednocześnie (superpozycja!)
Taki stan pozwala wykonywać obliczenia, które dla klasycznych komputerów są nieosiągalne w rozsądnym czasie.
Z laboratorium do przemysłu
Na bazie tych odkryć rozwijają się dziś:
- Google Quantum AI (gdzie pracował laureat John Martinis),
- IBM Quantum,
- Rigetti,
- a także liczne laboratoria w Europie i Azji.
Ich wspólny cel: zbudować stabilny, skalowalny komputer kwantowy, który przyniesie rewolucję w kryptografii, chemii, medycynie i sztucznej inteligencji.
Dlaczego to ważne dla nas – zwykłych ludzi?
Może się wydawać: „co z tego, że fizycy kombinują z obwodem i kwantami?” Ale odpowiedź jest prosta: efekty tej pracy mają – i będą mieć – realne zastosowania. Oto kilka konkretów:
- Komputery kwantowe: Technologie, które mogą rozwiązywać pewne zadania znacznie szybciej niż klasyczne komputery, opierają się m.in. na nadprzewodzących obwodach i zjawiskach kwantowych dokładnie takich, jak badają laureaci.
- Kryptografia kwantowa i komunikacja kwantowa: W świecie, w którym bezpieczeństwo cyfrowe staje się kluczowe, techniki kwantowe mają potencjał — m.in. do generowania naprawdę losowych liczb, czy wykrywania podsłuchu w nowy sposób.
- Czujniki i pomiary ekstremalnie precyzyjne: Zjawiska makroskopowej kwantowości pozwalają budować urządzenia, które mierzą zjawiska na granicy możliwości technologicznych — co może mieć zastosowania w medycynie (np. badania obrazowe), technologii kosmicznej, badaniach podstawowych.
W skrócie: badania laureatów tworzą fundament pod następną generację technologii — a to znaczy: także pod rozwój gospodarczy, przemysłowy i codzienny komfort życia.
Z przeszłości do dziś: jak wygląda droga do Nobla
Nagroda Nobla w fizyce ma długą i niezwykłą historię: już od 1901 roku laureaci wskazywani są przez Królewską Akademię Nauk Szwecji. Zwykle minie wiele lat od momentu odkrycia do momentu przyznania (często kilkadziesiąt lat) — ponieważ decydujące jest, by wyniki były sprawdzone, trwałe i miały znaczenie.
Przypomnijmy, że nagrodę Nobla z fizyki w 1903 r. przyznano Polce, Marii Skłodowskiej-Curie, wraz z mężem Pierr'em i Henri Becquerelem, "za wyjątkowe zasługi w badaniach nad zjawiskiem promieniotwórczości". To właśnie wtedy Skłodowska-Curie wprowadziła pojęcie radioaktywności i rozpoczęła badania nad promieniowaniem uranu. Jej prace dowiodły, że promieniowanie jest własnością samego atomu, a nie skutkiem reakcji chemicznych — co stało się jednym z kamieni milowych w rozwoju fizyki atomowej.
W przypadku tegorocznego Nobla, początki badań sięgają lat 80. XX wieku, gdy eksperymentalne badania nad nadprzewodnictwem, obwodami Josephsona i efektem kwantowym w dużej skali zaczynały być możliwe. Laureaci rozwijali te idee, budowali nowe typy obwodów i demonstrowali teoretyczne przewidywania w laboratorium.
Co dalej? Wyzwania i horyzonty
Przyznanie nagrody nie oznacza, że wszystko już zostało odkryte — wręcz przeciwnie: otwiera nowe drzwi. Niektóre z pytań, które stają przed naukowcami i inżynierami:
- Jak zbudować skalowalny komputer kwantowy, który będzie przewyższał klasyczne komputery w praktycznych zadaniach?
- Jak zapewnić stabilność i kontrolę nad stanami kwantowymi w systemach większych niż w laboratorium i w warunkach rzeczywistych?
- Jak zintegrować technologie kwantowe z infrastrukturą istniejącą — np. sieć telekomunikacyjną, centra danych, czujniki itp.?
- Jak przekuć osiągnięcia w laboratorium w przedsiębiorstwa, produkty, usługi — a więc: jak je uczynić dostępnymi dla gospodarki i społeczeństwa?
Z perspektywy Polski (i Polonii) to także sygnał, by wspierać badania podstawowe — bo to one często dają „przypadkowo” technologie przyszłości.
Nauka podstawą postępu
Nagroda Nobla w fizyce 2025 to triumf nie tyle pojedynczego odkrycia, ile długiego procesu, w którym teoria i eksperyment zbliżyły się coraz mocniej — i to w dziedzinie, która wydawała się kiedyś „czysto teoretyczna”, oderwana od codzienności. Dziś widzimy, że kwanty nie są już tylko domeną fizyków teoretyków, lecz stają się fundamentem technologii, które mogą zmienić świat.
Dla „Kuryera Polskiego” to także sygnał: w czasach, gdy tak intensywnie mówi się o cyfryzacji, sztucznej inteligencji, bezpieczeństwie danych, warto spojrzeć nie tylko „na aplikacje”, ale na fundament — bo fundamenty nauki decydują często o tym, co za chwilę będzie standardem.
Nagrodzeni naukowcy i ich współpracownicy pokazali, że konsekwencja i pomysłowość w badaniach nad abstrakcyjnym, wydawałoby się, światem kwantów mogą przynosić rezultaty, które z czasem zmieniają nasze codzienne życie. Trzej fizycy z Berkeley uhonorowani w tym roku udowodnili, że prawa tego „dziwnego świata atomów” można przenieść na skalę ludzką. Ich układ nadprzewodzący – cienki jak jedna dziesięciotysięczna włosa i schłodzony niemal do zera absolutnego – zachowywał się jak sztuczny atom. Z takich obwodów powstały później pierwsze kubity – cegiełki dzisiejszych komputerów kwantowych.
To przykład, jak czysta ciekawość badawcza, bez myślenia o zastosowaniach, może po latach stworzyć nową gałąź inżynierii.
