Kvantum-alagutazás és makroszkopikus kísérletek
A kvantummechanika egyik legkülönösebb jelensége az alagutazás (tunneling): amikor egy részecske minden klasszikus fizikai törvényt meghazudtolva képes áthatolni egy számára áthatolhatatlannak tűnő akadályon. Korábban ezt csak az atomi világban, például a radioaktív bomlás során figyelték meg. Clarke, Devoret és Martinis azonban képesek voltak ezt a különös tulajdonságot „felnagyítani”, és elektromos áramkörökben is bemutatni. Munkájukkal azt vizsgálták, mi történik, ha sok részecske – konkrétan szupravezető elektronpárok, úgynevezett Cooper-párok – együtt, szinkronban, egyszerre viselkednek, mintha egyetlen nagy részecske lennének.
Szupravezetők, Josephson-csatolások és a kísérlet leírása
A szupravezetőkből épített áramköröket egy vékony szigetelő réteg, úgynevezett Josephson-csatolás választotta ketté. Amikor kellő gondossággal sikerült elszigetelni a kísérleti összeállítást, a kutatók felfedezték, hogy ebben a rendszerben a Cooper-párok hullámfüggvénye, vagyis a teljes rendszer „kvantum-lélegzete” egyszerre tud több állapotban létezni. Ez olyan, mintha egy labda minden fizikai korlátozás nélkül átbújna egy masszív falon.
A kísérleti elrendezésben a rendszer kezdetben egy úgynevezett „nullfeszültségű” állapotban volt, vagyis áram folyt, de feszültség nem jelent meg – mintha egy gödörben ragadt volna az egész rendszer. A kvantum-alagutazás során viszont az egész rendszer váratlanul átugrott egy másik állapotba, amit feszültség megjelenése jelzett. Érdemes kiemelni, hogy nemcsak az alagutazás volt mérhető, hanem az is, hogy az energiaátmenetek kizárólag meghatározott, kvantált értékeken mentek végbe, ahogyan azt a kvantumelmélet jósolja.
Az alapkutatástól a hétköznapi technológiáig
A kutatók eredményei kezdetben pusztán elméleti jelentőségűnek számítottak, ám napjainkra már bizonyították gyakorlati hasznukat is. MRI-berendezések, rendkívül érzékeny szenzorok, kvantumtitkosításra alkalmas rendszerek, és a készülőfélben lévő kvantumszámítógépek mind támaszkodnak a makroszkopikus kvantumjelenségekre. Ennek ellenére fontos látni, hogy az okostelefonok közvetlenül még nem építenek a mostani áttörésekre, viszont az érzékeny orvosi műszerek működése már elképzelhetetlen nélkülük.
Az is jelentős hozadéka a munkának, hogy a kutatók be tudták bizonyítani: egyes kvantumos tulajdonságok még sok-sok részecske esetén, „emberi léptékben” is megmaradnak. Ez korábban csak gondolatkísérletként létezett, például Schrödinger híres macskája esetében – a díjazott felfedezést ezért gyakran emlegetik úgy, mint egy miniatűr, de valóságos Schrödinger-macskát.
Következtetés: A kvantumvilág kitágul
Ennek eredményeként Clarke, Devoret és Martinis munkája úttörő módon hidalta át a parányi és a mindennapi világ közti szakadékot. Kísérletsorozatuk nemcsak a kvantumelmélet helyességét bizonyította egy új szinten, hanem új eszközöket és inspirációt adott a kvantumtechnológiák fejlesztéséhez – például olyan mesterséges atomokhoz, melyek már információt tárolhatnak, vagy újfajta, szuperérzékeny szenzorokhoz, fejlett kvantumszámítógépekhez. A kvantummechanika százéves tudománya láthatóan még mindig tartogat meglepetéseket – immár szó szerint a tenyerünkben is.
Az idei Nobel-díj és további tudományos elismerések
Az idei évben immár 119. alkalommal osztották ki a fizikai Nobel-díjat. Tavaly a mesterséges intelligencia úttörői, John Hopfield és Geoffrey Hinton kapták az elismerést a gépi tanulás alapjainak megteremtéséért. Az elismeréssel járó pénzjutalom idén 11 millió svéd korona, vagyis közel 432 millió forint.
A hivatalos díjátadó december 10-én, Alfred Nobel halálának évfordulóján lesz Stockholmban. A Nobel-díjazottak között orvostudományi, irodalmi, béke- és közgazdasági díjasokat is ünnepel idén a világ – mindannyiukat az emberiség javát szolgáló felfedezéseik alapján.
