Az idei Nobel-díj elárulta, honnan indul a kvantumvarázslat

Az idei Nobel-díj elárulta, honnan indul a kvantumvarázslat
Október 7-én a kvantummechanika került a reflektorfénybe, amikor a Királyi Svéd Tudományos Akadémia három kutatót – John Clarke-ot, Michel Devoret-t és John Martinist – díjazott a fizikai Nobel-díjjal. A 11 millió svéd korona (kb. 400 millió forint) összdíjazású elismerést több mint négy évtizede végzett felfedezéseikért kapták, amelyek demonstrálták, hogy a kvantumjelenségek nem csupán az atomok, hanem a szemmel is látható, hétköznapi méretskálán is kontrollálhatóvá válhatnak.

Kvantumjelenségek: nem csak a mikroszkopikus világban

A kvantummechanikát jellemző különleges, megmagyarázhatatlannak tűnő jelenségek – mint például a szubatomi részecskék helyének és mozgásának bizonytalansága vagy az alagúthatás – eddig főleg az atomi mérettartományban jelentek meg. Ezzel szemben a hétköznapi tárgyak, például bolygók vagy focilabdák, szigorúan a klasszikus fizika törvényeit követik: pályájuk jól meghatározott, és nem „kenődnek el” a valószínűségek ködében.

Clarke, Devoret és Martinis azonban rámutattak, hogy megfelelő körülmények között – mélyhűtött, zajtól elzárt környezetben – egy szabad szemmel is látható áramkör 100 billiárd (azaz 100 000 000 000 000 000) elektront képes egyszerre „átvinni” egy akadályon kvantumalagúthatás útján. Ez a felismerés gyökeresen újradefiniálta, mit értünk kvantumfizika alatt.

Az alagúthatás rejtélye és az út a makroszkopikus kvantumvilághoz

A fizikusokat régóta foglalkoztatja, hogy miért tűnik úgy, a kvantummechanika csak a kicsik privilégiuma, míg a nagyobb rendszerek visszatérni látszanak a klasszikus törvényekhez. Ennek okát a környezeti zajokban kell keresni: az egyes részecskék képesek zavartalanul „kvantumosak” maradni, de a sokmilliárd részecske együttese hajlamos lerombolni ezeket a törékeny viszonyokat.

Ezzel szemben szupervezetőkben – például az MRI gépekben található többtonnás mágnesekben – az elektronok extrém hidegben elveszítik az ellenállásukat, és akadály nélkül áramlanak, ami egyáltalán nem klasszikus viselkedés. 1981-ben azonban még kérdéses volt, hogy ilyen makroszkopikus szinten létrehozható-e kvantumszuperpozíció; magyarán elmosható-e a határ az „élő” és „holt” között, ahogy Schrödinger híres gondolatkísérletében megfogalmazta. Tony Leggett és Amir Caldeira, szintén fizikusokként, azt javasolták, hogy ezt a kvantumalagúthatás keresésével lehetne vizsgálni egy szupervezető áramkörben.

Több kutatócsoport, köztük az IBM és a Bell Labs is belevágott. Az ezekben a tesztekben használt Josephson-junciók (két szupervezető között egy szigetelő réteggel) lehetnek „zárt” vagy „nyitott” állapotban, ám önmagában a mérhető feszültség nem bizonyítja a kvantumos alagúthatást, hiszen termikus zaj hatására is átléphetik az elektronok a gátreteget. A makroszkopikus alagúthatás egyértelmű megfigyeléséhez tehát extrém mértékben kellett izolálni az áramkört.

Végső bizonyíték: zajmentes makro-kvantumkísérlet

A Berkeley-i kutatók ennek érdekében porított rézzel töltött csőbe zárták centiméteres chipjüket, majd 0,01 kelvinig hűtötték. Így teljesen kizárták a hőmérséklet zaját, majd sorozatos mérésekkel bizonyították, hogy „belefagyasztott” állapotban is képesek makroszkopikus mennyiségű elektront túljuttatni az akadályon – sőt, akkor is, amikor a klasszikus magyarázat (termikus átlépés) már kizárható volt. Ezzel minden matematika és elméleti gondolatmenet után végre a valóságban is sikerült „elkenni” a klasszikus világ és a kvantumvilág határait.

Az eredmény megerősíti: védett környezetben, ultraalacsony hőmérsékleten a hétköznapi tárgyaink szintjén is uralkodhatnak a kvantumos törvényszerűségek. Egy centiméteres áramkör is ugyanúgy „elkenődhet”, mint egyetlen atom vagy elektron.


A kvantumáramkör: mesterséges atom és detektor

A Berkeley-i csoport nemcsak az alagúthatást igazolta: mikrohullámú sugárzással gerjesztve azt találták, hogy az áramkör csak meghatározott, oszthatatlan energiadarabkákban bocsát ki és nyel el energiát – akárcsak egy atom, jóllehet az áramkör több mint egymilliószor nagyobb.

Ez a tény tette lehetővé, hogy a kvantumáramkörök modelljei révén különféle kísérleti atomrendszereket szimuláljanak, vagy hogy érzékeny detektorokká váljanak a legparányibb jelek érzékelésére – például a sötét anyag utáni kutatásokban, köztük az Axion sötétanyag-kísérletben (Axion Dark Matter Experiment) is alkalmazzák őket. Az alapkutatás szépségét mutatja, hogy ezek a fejlesztések eleinte nem szerepeltek a célok között.

Az 1980-as évek közepétől egy évtizeden át folyamatosan tökéletesedtek a kvantumáramkörök, míg 1999-ben a japán Nippon Electric Company kutatói már két energiaszint között gyorsan váltakozó, megbízható kvantumbitet (qubitet) tudtak létrehozni. A szupervezető kvantumbitek (qubiteket) lettek az egyik legfontosabb építőkövei a kvantumszámítógépeknek: ma a Google, az IBM és sokan mások használják ezeket kísérleteikben.

Marketing helyett alapkutatás

Miközben a kvantumszámítógépek fejlesztése az utóbbi években milliárdokat (forintban több tíz, vagy akár több százmilliárdot) vonzott, a valóság gyakran lemaradt a marketingszövegek mögött. Ezért üdítő meglepetés volt, hogy az idei Nobel-bizottság szinte teljesen mellőzte a kvantumszámítógép-hype-ot: az ünnepélyes bejelentés tudományos hátterében csupán kétszer említették ezt a területet. A hangsúly ehelyett az alapvető kvantumfizikai felfedezésen, nem pedig a túlfűtött gyakorlati alkalmazáson volt. Sok fizikus megkönnyebbüléssel fogadta, hogy végre a kísérlet tudományos értéke került a középpontba. Így talán jobban átlátható, miért is varázslatos a kvantumvilág: mert nem kizárólag az univerzum legkisebb részecskéinek titka, hanem a hétköznapi méretekben is ott lapul – ha elég csendet tudunk neki teremteni.

2025, adminboss, www.scientificamerican.com alapján

  • Mit gondolsz, fontos-e minden kutatásnál elsőként az etikai kérdéseket végiggondolni?
  • Szerinted helyes lenne, ha a tudósok elhallgatnák a kísérleti eredményeik gyenge pontjait?
  • Ha hasonló kísérletet végeznél, te csak a sikeres méréseket publikálnád, vagy mindent közzétennél?



Legfrissebb posztok

Az MI most már az enzimek működését is átalakítja, lenyűgöző áttörés született
MA 23:02

Az MI most már az enzimek működését is átalakítja, lenyűgöző áttörés született

A tudományos világban új távlatokat nyitott a University of Illinois Urbana-Champaign kutatócsoportja, amely MI-alapú eszközt fejlesztett az enzimek és szubsztrátjaik illeszkedésének pontos előrejelzésére...

MA 22:58

A PC-eladások berobbantak a Windows 11 miatt

2025 harmadik negyedévében a globális PC-kiszállítások elérték a 76 millió darabot, amelynek növekedési motorja Ázsia és Japán volt...

Az EU új szabályozása miatt most a cégek is mélyebben a zsebükbe nyúlhatnak
MA 22:31

Az EU új szabályozása miatt most a cégek is mélyebben a zsebükbe nyúlhatnak

💸 Jelentőséggel bír, hogy 2024 júniusában életbe lépett az Európai Akadálymentességi Törvény (EAA), amely szigorúan ellenőrzi, hogy a fogyasztók számára nyújtott termékek és szolgáltatások – legyen az webáruház, banki alkalmazás vagy üzleti platform – mennyire elérhetők mindenki számára, beleértve a fogyatékossággal élőket is...

MA 22:00

Az 1 milliárd adatlapos zsarolás nem hatotta meg a Salesforce-ot

Egy bűnszervezet mintegy 1 milliárd adatlapot kompromittált több tucat Salesforce-ügyféltől, és megpróbálja masszív váltságdíj fejében visszatartani azok kiszivárogtatását...

Az új csillag a rakétaiparban: A Stoke Space áttörése
MA 21:59

Az új csillag a rakétaiparban: A Stoke Space áttörése

2024-ben a Stoke Space közel 185 milliárd forintnyi tőkét kapott befektetőktől, így már több mint 360 milliárd forint fölött rendelkezik...

Az uránuszi hold mélyének titkos óceánja
MA 21:31

Az uránuszi hold mélyének titkos óceánja

A 2,9 millió kilométerre található Uránusz negyedik legnagyobb holdja, az Ariel valaha akár 160 kilométer (!)..

NASA-misszió, ami megúszta a leépítést, ezt köszönheti
MA 21:03

NASA-misszió, ami megúszta a leépítést, ezt köszönheti

2029-ben a kutatók egy különös égi eseményre készülnek: az Apophis nevű aszteroida mindössze 32 000 kilométerre halad el a Föld mellett...

Most már tényleg félhetünk, összefogtak a legdurvább zsarolóvírusok
MA 20:59

Most már tényleg félhetünk, összefogtak a legdurvább zsarolóvírusok

🔒 Egyesült erőkkel a nagyobb haszonért Lényeges, hogy a legismertebb orosz ajkú kibertámadó csoportok – DragonForce, Qilin és LockBit – hivatalosan is szövetségre léptek, hogy maximalizálják bevételüket a megváltozott és kihívásokkal teli zsarolóvírus-bizniszben...

Gyorsabb és zöldebb lett a Ferrari, Jony Ive új autója mindent visz
MA 20:31

Gyorsabb és zöldebb lett a Ferrari, Jony Ive új autója mindent visz

A Ferrari jövőre mutatja be első tisztán elektromos autóját, az Elettricát...