Kot Schrödingera i komputer kwantowy – tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki jest podsumowaniem 100 lat badań

Spis treści:

1. Eksperymenty na chipie
2. Technologie kwantowe
3. Komputery kwantowe
4. Kto był typowany do Nagrody Nobla?

Tegorocznymi laureatami najbardziej prestiżowego wyróżnienia świata, czyli Nagrody Nobla z fizyki, zostali amerykańscy badacze John Clarke, Michel H. Devoret oraz John M. Martinis. W latach 1984–1985 przeprowadzili serię eksperymentów z obwodem elektronicznym zbudowanym z nadprzewodników – elementów, które mogą przewodzić prąd bez oporu elektrycznego. W trakcie eksperymentów wykazali zarówno tzw. tunelowanie kwantowe, jak i kwantowanie poziomów energii – w układzie na tyle dużym, że można go trzymać w dłoni.

Eksperymenty na chipie

W opracowanym przez nowych noblistów obwodzie nadprzewodzące komponenty były oddzielone cienką warstwą materiału nieprzewodzącego, tworząc tzw. złącze Josephsona. Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu i pomiarom różnych właściwości tego układu badacze byli w stanie kontrolować i badać zjawiska pojawiające się przy przepływie prądu. Poruszające się w nadprzewodniku cząstki naładowane tworzyły układ zachowujący się tak, jakby stanowiły jedną cząstkę wypełniającą cały obwód.

Ten makroskopowy układ początkowo znajduje się w stanie, w którym prąd płynie bez występowania napięcia. Układ jest uwięziony w tym stanie, jakby za barierą, której nie może przekroczyć. W eksperymencie układ ujawnia swój kwantowy charakter, gdy udaje mu się „uciec” ze stanu zerowego napięcia dzięki tunelowaniu. Zmiana stanu układu jest wykrywana poprzez pojawienie się napięcia.

Laureaci wykazali również, że układ zachowuje się zgodnie z przewidywaniami mechaniki kwantowej. Jest skwantowany, co oznacza, że może pochłaniać lub emitować tylko określone porcje energii.

Technologie kwantowe

Przewodniczący Komitetu Noblowskiego ds. fizyki Olle Eriksson w trakcie przemówienia podkreślił, że to wspaniałe, iż stuletnia mechanika kwantowa wciąż przynosi nowe niespodzianki. – Jest też niezwykle użyteczna, ponieważ stanowi fundament całej technologii – dodał ekspert.

Do czego konkretnie nawiązywał? Przede wszystkim do rozwoju technologii kwantowych: komputerów kwantowych, kryptografii kwantowej i sensorów, które w przyszłości będę mogły zastąpić np. satelity nawigacyjne. Prace nad tymi technologiami prowadzone są również w Polsce, m.in. przez Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe (PCSS).
– Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki dobitnie pokazuje, że technologie kwantowe rozwijają się bardzo dynamicznie – komentuje dr hab. inż. Krzysztof Kurowski, koordynator EuroQCS-Poland i komputera kwantowego PIAST-Q, kierownik Działu Technologii Kwantowych w PCSS.

Jak podkreśla ekspert, nagrodzeni badacze to osoby związane nie tylko ze sferą naukową, ale również ze środowiskiem technologiczno-biznesowym, szczególnie z firmą Google. Ten technologiczny gigant mocno angażuje się w rozwój technologii kwantowych podobnie jak IBM, IQM oraz wiele innych firm z sektora IT.

Komputery kwantowe

– Od kilku lat Google demonstruje nowe rozwiązania oraz promuje swój procesor kwantowy i układ Sycamore. Proponowany przez nich komputer kwantowy działa w oparciu o tzw. nadprzewodzące kubity, a te nie zaistniałyby, gdyby nie prace naukowe oraz eksperymenty Johna Clarke’a, Michela H. Devoreta oraz Johna M. Martinisa. Trzeba z dużą mocą podkreślić, że ci trzej badacze dzięki serii zaawansowanych eksperymentów udowodnili, że zjawiska kwantowe zachodzą nie tylko w mikroświecie, ale również w układach makroskopowych. W tym konkretnym przypadku w układzie elektrycznym i nadprzewodników, który składa się z milionów tzw. sztucznych atomów utrzymywanych w bardzo niskiej temperaturze. Udało im się stworzyć solidne naukowe podwaliny pod konkretne rozwiązania procesora kwantowego. To wyróżnienie pokazuje również, jak szybko można przejść od pracy naukowej do fazy demonstracyjnej i wdrożeniowej – mówi dr Kurowski.

Dodajmy, że komputerem kwantowym bazującym na technologii nadprzewodzących kubitów, a pośrednio na wynikach badań dzisiejszych noblistów jest superkomputer kwantowy Odra 5 uruchomiony na Politechnice Wrocławskiej. Pierwsze w Polsce komputery kwantowe należące do PCSS bazują na innych technologiach, w tym dwa na fotonicznych układach kwantowych oraz ostatnio zademonstrowany komputer kwantowy działający w europejskiej infrastrukturze EuroHPC na tzw. spułapkowanych jonach.

– Technologie kwantowe znajdują już zastosowania w innych obszarach, takich jak komunikacja kwantowa, metrologia czy sensory kwantowe. Dla przykładu dysponujemy w Polsce aktualnie najdłuższą w Europie, bo liczącą ponad 1700 km infrastrukturą siecią do kwantowej dystrybucji klucza (QKD), wykorzystującej istniejące światłowody naukowej sieci PIONIER. Technologia ta zwiększa bezpieczeństwo łączy komunikacyjnych, umożliwiając wymianę kluczy szyfrujących w sposób gwarantujący wykrycie każdej próby podsłuchu właśnie dzięki wykorzystaniu elementarnych zasad mechaniki kwantowej. Możliwości generowanie klucza kwantowego są niezbędne w kryptografii, a co za tym idzie dla bezpieczeństwa państwa, naszych finansów i wielu innych zagadnień. A to wciąż dopiero początek praktycznych zastosowań – podsumowuje dr. Krzysztof Kurowski.

Kto był typowany do Nagrody Nobla?

Co roku specjaliści próbują przewidzieć, kto dostanie Nobla. Tegoroczne typy firmy analitycznej Clarivate w dziedzinie fizyki to:

• Ingrid Daubechies, Stéphane Mallat, Yves Meyer – za prace nad transformacją falkową,
• David P. DiVincenzo, Daniel Loss – za prace w dziedzinie komputerów kwantowych,
• Ewine F. van Dishoeck – za prace w dziedzinie astrochemii.

Źródło: Nobelprize.org

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.