Çmimi Nobel në Fizikë 2025 iu dha për tunelimin kuantik në shkallë makroskopike

Çmimi Nobel në Fizikë për vitin 2025 u është dhënë John Clarke, Michel H. Devoret dhe John M. Martinis “për zbulimin e tunelimit kuantik makroskopik dhe kuantizimit të energjisë në një qark elektrik”. Komiteti i Nobelit tha gjatë një konference për shtyp se puna e laureatëve ofron mundësi për të zhvilluar “gjeneratën e ardhshme të teknologjisë kuantike, duke përfshirë kriptografinë kuantike, kompjuterët kuantikë dhe sensorët kuantikë”. Të tre burrat do të ndajnë çmimin prej 1.1 milion dollarësh (11 milion korona suedeze). Ceremonia e dhënies së çmimit do të zhvillohet në Stokholm më 10 dhjetor 2025.

“Për ta thënë butë, ishte surpriza e jetës sime”, u tha Clarke gazetarëve në telefon gjatë konferencës për shtyp të mëngjesit të sotëm. “Zbulimi ynë në disa mënyra është baza e informatikës kuantike. Pikërisht në këtë moment se ku përshtatet kjo nuk është plotësisht e qartë për mua. Një nga arsyet themelore pse funksionojnë telefonat celularë është për shkak të gjithë kësaj pune.”

Kur fizikantët filluan të hulumtonin në botën e re të çuditshme të grimcave nënatomike në fillim të shekullit të 20-të, ata zbuluan një botë ku ligjet e vjetra, deterministe të fizikës klasike nuk zbatohen më. Në vend të kësaj, mbretëron pasiguria. Është një botë e qeverisur jo nga absolutet, por nga probabilitetet, ku ngjarjet që do të dukeshin të pamundura në shkallën makro ndodhin rregullisht.

Për shembull, grimcat nënatomike mund të “tunelizojnë” përmes barrierave të energjisë në dukje të padepërtueshme. Imagjinoni që një elektron është një valë uji që përpiqet të kapërcejë një barrierë të lartë. Ndryshe nga uji, nëse vala e elektronit është më e shkurtër se barriera, ekziston ende një probabilitet i vogël që ai të depërtojë në anën tjetër.

Ky truk i vogël dhe i zgjuar është verifikuar eksperimentalisht shumë herë. Në vitet 1950, fizikantët krijuan një sistem në të cilin rrjedha e elektroneve do të godiste një barrierë energjie dhe do të ndalonte sepse atyre u mungonte energjia e mjaftueshme për të kapërcyer atë pengesë. Por disa elektrone nuk i ndiqnin rregullat e vendosura të sjelljes. Ato thjesht tunelonin drejt e nëpër barrierën e energjisë.

Clarke, Devoret dhe Martinis ishin të parët që demonstruan se efektet kuantike, të tilla si tunelimi kuantik dhe kuantizimi i energjisë, mund të veprojnë në shkallë makroskopike, jo vetëm në një grimcë në të njëjtën kohë.

Pasi mori doktoraturën nga Universiteti i Kembrixhit, Clarke erdhi në Universitetin e Kalifornisë, Berkeley, si postdoktorant, duke u bashkuar përfundimisht me fakultetin në vitin 1969. Nga mesi i viteve 1980, Devoret dhe Martinis iu bashkuan laboratorit të Clarke si postdoktorant dhe student i diplomuar, përkatësisht. Treshja vendosi të kërkonte prova të tunelimit kuantik makroskopik duke përdorur një qark të specializuar të quajtur kryqëzim Josephson – një pajisje makroskopike që shfrytëzon një efekt tunelimi që tani përdoret gjerësisht në informatikën kuantike, ndjesinë kuantike dhe kriptografinë.

Një kryqëzim Josephson – i emëruar sipas fizikantit britanik Brian Josephson, i cili fitoi Çmimin Nobel në fizikë në vitin 1973 – është në thelb dy pjesë gjysmëpërçuese të ndara nga një barrierë izoluese. Pavarësisht këtij boshllëku të vogël midis dy përçuesve, elektronet ende mund të tunelojnë përmes izolatorit dhe të krijojnë një rrymë. Kjo ndodh në temperatura mjaftueshëm të ulëta, kur kryqëzimi bëhet superpërçues ndërsa elektronet formojnë të ashtuquajturat ” çifte Cooper “.

Ekipi ndërtoi një oscilator të bazuar në qark elektrik në një mikroçip me madhësi rreth 1 centimetër – në thelb një version kuantik i lavjerrësit klasik. Sfida e tyre më e madhe ishte të kuptonin se si ta zvogëlonin zhurmën në aparatin e tyre eksperimental. Për eksperimentet e tyre, ata së pari futën një rrymë të dobët në kryqëzim dhe matën tensionin – fillimisht zero. Pastaj ata rritën rrymën dhe matën se sa kohë i duhej sistemit të dilte nga gjendja e tij e mbyllur për të prodhuar një tension.

Ata morën shumë matje dhe zbuluan se rryma mesatare rritet ndërsa temperatura e pajisjes bie, siç pritej. Por në një moment, temperatura ra aq shumë sa pajisja u bë superpërçuese dhe rryma mesatare u bë e pavarur nga temperatura e pajisjes – një shenjë treguese e tunelimit kuantik makroskopik.

Ekipi gjithashtu demonstroi se kryqëzimi Josephson shfaqte nivele të kuantizuara energjie – që do të thotë se energjia e sistemit ishte e kufizuar vetëm në vlera të caktuara të lejuara, ashtu si grimcat nënatomike mund të fitojnë ose humbasin energji vetëm në sasi fikse dhe diskrete – duke konfirmuar natyrën kuantike të sistemit. Zbulimi i tyre revolucionarizoi në mënyrë efektive shkencën kuantike, pasi shkencëtarë të tjerë tani mund të testonin fizikën kuantike të saktë në çipat e silikonit, ndër aplikime të tjera.

Lazerët, superpërçuesit dhe lëngjet superfluide shfaqin efekte kuantike mekanike në shkallë makroskopike, por këto lindin duke kombinuar sjelljen e komponentëve mikroskopikë. Clarke, Devoret dhe Martinis ishin në gjendje të krijonin një efekt makroskopik – një tension të matshëm – nga një gjendje makroskopike. Sistemi i tyre përmbante miliarda çifte Cooper që mbushnin të gjithë superpërçuesin në çip, megjithatë të gjithë ata përshkruheshin nga një funksion i vetëm valor. Ata sillen si një atom artificial në shkallë të gjerë.

Në fakt, qarku i tyre ishte në thelb një kubit rudimentar. Martinis tregoi në një eksperiment të mëvonshëm se një qark i tillë mund të ishte një njësi që mbart informacion, me gjendjen më të ulët të energjisë dhe hapin e parë lart që funksionon si 0 dhe 1, përkatësisht. Kjo hapi rrugën për përparime të tilla si transmoni në vitin 2007: një kubit ngarkese superpërçues me ndjeshmëri të reduktuar ndaj zhurmës.

“Ky kuantizim i niveleve të energjisë është burimi i të gjitha kubitëve”, tha Irfan Siddiqi, kryetar i Departamentit të Fizikës në UC Berkeley dhe një nga ish-postdoktorët e Devoret. “Ky ishte gjyshi i kubitëve. Qarqet moderne të kubitëve kanë më shumë çelësa, tela dhe gjëra të tjera, por kjo është vetëm mënyra se si të akordohen nivelet, si t’i çiftëzohen ose t’i ngatërrojnë ato. Ideja themelore që qarqet Josephson mund të kuantizohen dhe ishin kuantike u tregua vërtet në këtë eksperiment. Fakti që mund ta shihni botën kuantike në një qark elektrik në këtë mënyrë shumë të drejtpërdrejtë ishte vërtet burimi i çmimit.”

Ndaj ndoshta nuk është për t’u habitur që Martinis u largua nga akademia në vitin 2014 për t’u bashkuar me përpjekjet e Google për informatikën kuantike, duke ndihmuar në ndërtimin e një kompjuteri kuantik që kompania pretendonte se kishte arritur “supermarketin kuantik” në vitin 2019. Martinis u largua në vitin 2020 dhe bashkëthemeloi një startup të informatikës kuantike, Qolab, në vitin 2022. Laureati i tij i Çmimit Nobel, Devoret, tani drejton divizionin e informatikës kuantike të Google dhe është gjithashtu anëtar i fakultetit në Universitetin e Kalifornisë, Santa Barbara. Sa i përket Clarke, ai tani është profesor emeritus në UC Berkeley.

“Këto sisteme krijojnë një urë lidhëse midis sjelljes kuantike mikroskopike dhe pajisjeve makroskopike që formojnë bazën për inxhinierinë kuantike”, tha në një deklaratë Gregory Quiroz, një ekspert në shkencën e informacionit kuantik dhe algoritmet kuantike në Universitetin Johns Hopkins. “Progresi i shpejtë në këtë fushë gjatë dekadave të fundit – pjesërisht i nxitur nga rezultatet e tyre kritike – ka lejuar që kubitët superpërçues të kalojnë nga eksperimente laboratorike në shkallë të vogël në pajisje në shkallë të gjerë, me shumë kubit, të afta për të realizuar llogaritjen kuantike. Ndërsa jemi ende në kërkim të avantazhit të pamohueshëm kuantik, nuk do të ishim aty ku jemi sot pa shumë nga kontributet e tyre kryesore në këtë fushë.”

Siç ndodh shpesh me kërkimin themelor, asnjë nga tre fizikantët nuk e kuptoi në atë kohë se sa i rëndësishëm do të ishte zbulimi i tyre për sa i përket ndikimit të tij në informatikën kuantike dhe zbatime të tjera.

“Ky çmim vërtet tregon se çfarë ka bërë më mirë sistemi amerikan i shkencës”, tha për The New York Times Jonathan Bagger, Drejtor Ekzekutiv i Shoqërisë Amerikane të Fizikës. “Ky çmim vërtet tregoi rëndësinë e investimit në kërkim për të cilin ende nuk kemi një aplikim, sepse e dimë se herët a vonë, do të ketë një aplikim.”