Nobeli füüsikapreemia pälvisid sel aastal USA teadlased John Clarke, Michel Devoret ja John Martinis. Füüsikud tegi murrangulise avastuse, mis tõestas, et kvantmaailma reeglid kehtivad ka süsteemides, mis on piisavalt suured, et neid käes hoida.
Täpsemalt näitasid nad, kuidas makroskoopilised süsteemid näiliselt läbimatuid barjääre ületada suudavad ja suutsid tõestada vooluringis energia kvantiseerumist. “Kõige lühemalt on see kvantefektide ilmsiks tegemine ja kasutuselevõtt makroskoopilisel tasemel,” selgitas Teet Örd, Tartu Ülikooli emeriitprofessor.
Erinevalt mitmetest teistest hiljutistest Nobeli laureaatidest ei teinud teadlased oma avastusi eraldiseisvalt, vaid tihedas koostöös California Ülikoolis Berkeleys 1980. aastate keskel. Üheskoos ehitasid nad ülijuhtidest koosneva elektriskeemi, milles käitusid miljardid elektronide paarid, mida tuntakse Cooperi paaridena, üheainsa hiiglasliku kvantobjektina. Umbes ruutsentimeetri suurune kiip võimaldas näha kahte kvantmehaanika kõige fundamentaalsemat, kuid seni vaid mikromaailmas nähtud fenomeni.
Seade põhines Josephsoni efektil, mille kirjeldamise eest pälvis Walesi füüsikateoreetik Brian Josephson Nobeli füüsikapreemia 1973. aastal. See ütleb, et kui kaks ülijuhti on eraldatud väga õhukese isolaatori kihiga, suudavad elektronide paarid, (nn Cooperi paarid), läbida seda barjääri ilma igasuguse elektritakistuseta. Sisuliselt on see üks kvanttunneldumise erivorm.
Selleaastased laureaadid ehitasid oma eksperimendi keskmesse just taolise ülijuht-isolaator-ülijuht “võileiva”, mida Josephsoni efekt kirjeldab.
Esiteks näitas kolmik seadmega makroskoopilist kvanttunneldumist. Nende loodud süsteem oli algselt “lõksus” nullpingega olekus, millel poleks tohtinud klassikalise füüsika kohaselt olla vabanemiseks piisavalt energiat. Ometi suutis süsteem sellest barjäärist otsekui läbi seina imbuda – tunnelduda – ja tekitada mõõdetava pinge. Seda võib võrrelda olukorraga, kus vastu seina visatud pall ilmuks sellelt tagasi põrkamise asemel ootamatult teisele poole seina.
Teiseks tõestasid nad energia kvantiseerumist makroskaalal. Oma vooluringile mikrolaineid suunates avastasid nad, et süsteem neelas energiat ainult kindlate portsjonite ehk kvantide kaupa, justkui astuks see mööda treppi, mitte ei liiguks sujuvalt mööda kaldteed. See kinnitas, et isegi suur, paljudest osakestest koosnev süsteem allub kvantmaailma reeglitele ja energiahulgad eksisteerivad eristatavate pakettidena.
Läbimurre sündis tänu uurimisrühma haruldasele sünergiale. John Clarke, kogenud professor ja valdkonna ekspert, oli rühmajuht, kes lõi intellektuaalse pinnase ja suunas uurimistööd. Tema käe all töötanud järeldoktor Michel Devoret ja doktorant John Martinis viisid läbi erakordset täpsust nõudnud katsed, ehitades ja kalibreerides seadmeid, mis suutsid tabada kvantmaailma õrna signaali keset makromaailma müra.
Ördi hinnangul said Clarke, Devoret ja Martinis preemia eeskätt selle praktiliste väljundite tõttu. “Märksõnadena pole “kvantefektid makroskoopilisel tasemel” või “makroskoopilised kvantsüsteemid” üldse uued mõisted. Selliseid makroskoopilisi nähtusi on lisaks ülijuhtivusele ja Josephsoni üleminekutele veelgi, nagu ülivoolavus, kvant-Halli efekt. Rohkem on seotud ilmselt see sellega, et siit kasvavad välja praktilised rakendused nagu kvantarvutid,” lisas Örd.
Laureaatide tööd võib kõrvutada kuulsa ühtaegu surnud ja elus oleva Schrödingeri kassi mõtteeksperimendi laboratoorse vastena, näidates, et kvantolekud saavad eksisteerida ka suurtes, silmale nähtavates süsteemides. Praeguseks on nende loodud ülijuhtivast vooluringist saanud sisuliselt suur ja kontrollitav “tehisaatom” – tööriist, mis on saanud kvanttehnoloogia nurgakiviks.
Nende avastatud kvantiseeritud energiatasemed on aluseks ja kvantbittidele ehk kubittidele, mis on kvantarvutite informatsiooniühikud. Teadustöö inspireeris teisi teadlasi arendama ülijuhtivaid vooluringe, mis on tänapäeval üks popimaid platvorme suure ja võimsa kvantarvuti ehitamiseks.
Nõnda ei aidanud laureaadid meil mitte ainult paremini mõista inimesi ümbritsevat maailma, vaid andsid ka võtme tulevikutehnoloogiate loomiseks.
Praegu on John Clarke on California Ülikooli (Berkeley) professor. Ta on ka sama ülikooli kraadiõppekooli emeriitprofessor. Michel H. Devoret on Yale’i Ülikooli rakendusfüüsika professor ja lisaks on Google Quantum AI juhtivteadur. John M. Martinis on California Ülikooli (Santa Barbara) füüsikaprofessor. Alates 2022. aastast on ta ettevõtte Qolab kaasasutaja ja tehnoloogiajuht.
Möödunud aastal said Nobeli auhinna füüsikas Ameerika füüsik John Hopfield ja Briti-Kanada arvutiteadlane Geoffrey Hinton, kelle avastused panid aluse tehisnärvivõrkudel põhinevale masinõppele, millest on kasu pea kõikjal, alates astronoomiast lõpetades tekstide tõlkimise ja tehisaru treenimisega.
Nobeli preemiat füüsikas antakse välja alates 1901. aastast. Alates 2023. aastast on Nobeli preemia väärtus 11 miljonit Rootsi krooni (u miljon eurot). Lisaks rahalisele auhinnale saavad laureaadid Nobeli bareljeefiga kuldmedali ja diplomi.