Kvantummechanika kicsiben és nagyban
A kvantummechanika a részecskék szintjén megfigyelhető, szokatlan jelenségekkel foglalkozik. Egy elektron például átjuthat olyan akadályon, amelyet minden klasszikus fizika szerint megkerülhetetlennek gondolnánk – ezt hívják kvantum-alagutazásnak. Egy hétköznapi labdáról viszont biztosan tudhatjuk, hogy visszapattan, ha egy falnak dobjuk. A különbség abban rejlik, hogy a labda több trillió molekulából áll, és ilyen nagy rendszerekben a kvantumhatások jellemzően eltűnnek.
Noha a mikroszkopikus világban ezek a kvantumhatások megszokottak, a 2025-ös fizikai Nobel-díjasok kísérletei azt bizonyították, hogy ezek bizony makroszkopikus, sok részecskéből felépülő rendszerekben is megjelenhetnek. Clarke, Devoret és Martinis számos kísérlettel kimutatták, hogy egy szupervezető áramkörben az összes töltött részecske egyszerre viselkedik kvázi egyetlen részecskeként, együtt alkotva egy hatalmas, közös hullámfüggvényt.
Mi is az a Josephson-csatolás?
Kísérletük alapja egy szupervezetőkből épített elektromos áramkör, amelyben két szupervezetőt egy vékony, szigetelő réteg választ el. Ilyen környezetben az elektronok „párosodnak” (Cooper-párok), és szinkronizált mozgással képesek ellenállás nélkül haladni az anyagon át – így működik a szupervezetés. A Cooper-párok viselkedése teljesen különbözik a magányos elektronokétól: míg két elektron azonos kvantumtulajdonsággal sosem lehet ugyanott, két Cooper-pár már azonos állapotokat is felvehet, mintha egyetlen közös egységet alkotnának.
A két szupervezetőt elválasztó rétegből létrejövő Josephson-csatolás (Josephson junction) különleges kvantumjelenségeket eredményez. Ilyen kapcsolási pontokon a hullámfüggvények interakciója révén pontos méréseket végezhetünk, akár az alapvető fizikai állandók meghatározásában is. Nem elhanyagolható, hogy ezek a kutatások később elengedhetetlenné váltak a kvantumtechnológia fejlesztésében.
Kvantum-alagutazás makroszkopikus méretekben
Clarke és társai extrém módon védett, rendkívül pontos kísérleti környezetet hoztak létre, hogy megóvják az áramkört minden külső hatástól. Egy nagyon gyenge áramot vezettek át a Josephson-csatoláson, és a keletkező feszültséget mérték. A rendszer kezdetben zéró feszültségre volt zárva – vagyis az egész kvantumeffektusokat tartalmazó hullámfüggvény fogva tartotta az áramköri állapotot. Azonban alagutazással a rendszer „kiszökött” ebből a normális, ellenállás nélküli állapotból, és mérhető feszültséget termelt. Statikus mérések során az is kiderült, mennyi időt töltött ebben a kvantumcsapdában, hasonlóan ahhoz, ahogy az atommagok felezési idejét mérik.
A rendszer továbbá energiaadagokra volt bontva: a különböző hullámhosszú mikrohullámok csak akkor emelték a rendszer energiaszintjét, ha pontosan megegyeztek a kvantum energiacsomagjával – ezzel igazolva a kvantummechanika egyik alaptételét. Ezáltal arra lehet következtetni, hogy a kvantumjelenségek nem vesznek el a nagyméretű rendszerekben, megfelelően kialakított feltételek mellett.
Schrödinger macskája a laborban?
A kísérletek jelentősége túlmutat a mérési érdekességen: az ilyen kollektív, makroszkopikus kvantumállapotokat a híres Schrödinger-féle gondolatkísérlethez hasonlítják. Bár ekkora méretben sosem lesz élő macskánk egyszerre élő és halott, a Cooper-párokkal teli áramkör mégis egyszerre viselkedik úgy, mintha egyetlen részecske volna – a macska laboratóriumi, kvantumos megfelelője.
Noha a rendszer nagyságrendekkel kisebb, mint egy cica, a makroszkopikus kvantumállapot ténylegesen mérhetővé vált, ráadásul az egész áramkör viselkedése pontosan a kvantummechanika jóslatait követi. Ez új kapukat nyit a kvantumvilág alaposabb megértéséhez.
Jövő: kvantumszámítógép, kvantumtechnológia
A Clarke–Devoret–Martinis hármas munkájának következményei mind gyakorlatiak, mind elméletiek. Az ilyen, mesterséges atomként viselkedő áramköri „bit” laboratóriumi körülmények között továbbfejleszthető, sőt, Martinis későbbi kísérleteiben már kvantumszámítógép-kezdeményként használta őket. A különböző energiájú kvantumos állapotok feleltek meg a 0 és 1 információs értékeknek – ezzel született meg a kvantumbit. A szupervezető áramkörök a fejlődő kvantumszámítógép-technológiák egyik vezető platformját jelentik jelenleg is.
Összességében nem elhanyagolható, hogy ezek a kísérletek hozzájárulnak egy eddig alig tapasztalt összkép megértéséhez: hogyan működhetnek a kvantumeffektusok a mindennapi léptéknél nagyobb rendszerekben. Az MI- és kvantumtechnológiák korában ez a fajta gondolati ugródeszka alapozza meg a következő évtizedek fizikai áttöréseit és találmányait.
