W tym roku Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała Nagrodę Nobla z fizyki Johnowi Clarke’owi, Michelowi H. Devoretowi i Johnowi M. Martinisowi ’za odkrycie makroskopowego tunelowania kwantowego i kwantowania energii w obwodzie elektrycznym’. Uhonorowane prace, rozpoczęte w połowie lat 80. na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, pokazały, że zjawiska kojarzone dotąd z pojedynczymi cząstkami można uchwycić w urządzeniach, które da się wziąć do ręki.

To nie tylko kamień milowy w zrozumieniu granicy między światem mikro a makro, lecz także fundament współczesnych technologii obwodów nadprzewodzących – od czujników po kubity komputerów kwantowych.

Na czym polegało samo odkrycie? Laureaci zbudowali obwód z dwoma nadprzewodnikami oddzielonymi cienką warstwą izolatora tzw. złączem Josephsona. W takim układzie ładunek elektryczny nie płynie jak w klasycznym metalu, gdzie elektrony „przepychają się” między zderzeniami, lecz w postaci zsynchronizowanych par elektronów (par Coopera), które zachowują się zbiorowo jak jeden układ kwantowy opisywany wspólną funkcją falową. Gdy obwód jest odpowiednio spolaryzowany prądem, system „utkwi” w stanie o zerowym napięciu; klasycznie nie ma dość energii, by się z niego wydostać. A jednak w eksperymentach Clarke’a, Devoreta i Martinisa stan ten spontanicznie „przeskakiwał” do stanu z napięciem – tak jakby cały układ, składający się z niewyobrażalnie wielu elektronów, przeniknął przez barierę energii. To właśnie makroskopowe tunelowanie kwantowe. Co więcej, badacze pobudzali układ mikrofalami i wykazali, że energia jest pochłaniana i emitowana tylko w ściśle określonych porcjach, zgodnie z przewidywaniami mechaniki kwantowej.

Innymi słowy, zobaczyli kwantowanie energii w obwodzie elektrycznym – zjawisko, które dotąd kojarzyliśmy raczej z atomami niż z milimetrowym chipem.

Dlaczego to takie ważne? W fizyce codziennie korzystamy z „dualnej” narracji: wiemy, że na poziomie atomów obowiązują reguły kwantowe, ale na poziomie piłek, mostów i telefonów świat zachowuje się klasycznie. Kłopot w tym, gdzie dokładnie przebiega granica i jak ją empirycznie wyznaczyć. Doświadczenia laureatów dostarczyły namacalnego laboratorium, w którym efekt kwantowy nie jest pochodną zsumowania mikro-zjawisk, lecz własnością całego makroskopowego układu – „sztucznego atomu” z gniazdami i przewodami. Z punktu widzenia nauki to dowód, że formalizm kwantowy potrafi opisać układy liczące miliardy par elektronów. To przestawia wajchę w naszym myśleniu o granicach kwantowości i otwiera pole do projektowania urządzeń, w których projektujemy nie atomy, lecz poziomy energii i dynamikę całych obwodów. Co z tego wynikło później? Po pierwsze, powstała nowa gałąź „kwantowej elektroniki nadprzewodzącej”, w której obwody traktujemy jak projektowane poziomy energii – i wykorzystujemy je jako sztuczne atomy.

To bezpośrednia droga do kubitów nadprzewodzących, stosowanych w komputerach kwantowych.

W kubicie tego typu dwoma najniższymi poziomami energii obwodu kodujemy „zero” i „jedynkę”, a operacje kwantowe realizujemy za pomocą precyzyjnie dobranych impulsów mikrofalowych. Nieprzypadkowo John Martinis później współtworzył jedne z najbardziej zaawansowanych procesorów kubitowych, a Michel Devoret wraz ze współpracownikami z Yale odegrał kluczową rolę w stabilizowaniu tych układów i ich odczycie. Dziś to jedna z dwóch dominujących platform komputerów kwantowych, obok pułapkowanych jonów. To nie znaczy, że „komputer kwantowy jutra” już stoi za rogiem, ale bez przełamania bariery makroskopowego tunelowania i kwantowania energii w obwodach nie mielibyśmy w ogóle z czego taką maszynę składać.