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.
