Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia julkisti tämän vuoden fysiikan Nobel-palkinnon saajat John Clarkelle, Michel H. Devoretille ja John M. Martinisille lehdistötilaisuudessa Tukholmassa, Ruotsissa, 7. lokakuuta. – Kuva: REUTERS
Vuonna 1925 fyysikot Heisenberg, Schrödinger ja Dirac löysivät kvanttimekaniikan – merkittävän löydön, jolla oli maailmaa mullistava vaikutus.
Tasan 100 vuotta myöhemmin vuoden 2025 Nobelin fysiikanpalkinto myönnettiin kolmelle amerikkalaiselle fyysikolle, jotka toivat kvanttitunnelointiilmiön – oudon, mikroskooppisen kvanttiilmiön – makroskooppiseen maailmaan ja avasivat monia uraauurtavia sovelluksia.
On hienoa voida juhlistaa sitä, miten kvanttimekaniikka on ollut olemassa vuosisatojen ajan ja tarjonnut jatkuvasti uusia yllätyksiä. Se on myös uskomattoman hyödyllistä, koska kvanttimekaniikka on kaikkien digitaalisten teknologioiden perusta.
Olle Eriksson (Nobel-fysiikan komitean puheenjohtaja, puhuu)
Uraauurtava löytö tunnelointiilmiöstä.
Kolme amerikkalaista fyysikkoa, John Clarke, Michel H. Devoret ja John M. Martinis, on saanut vuoden 2025 Nobelin fysiikanpalkinnon ”makroskooppisen kvanttitunneloinnin ja energian kvantisoinnin löytämisestä sähköpiireissä”, Nobel-komitean ilmoituksen mukaan.
Tämänvuotinen palkinto myönnetään tutkijoiden vuosina 1984 ja 1985 suprajohtavilla piireillä suorittamille kokeille, jotka osoittivat, että ”tunnelointi” – ilmiö, jossa hiukkaset kulkevat aiemmin vain kvanttimekaniikassa mahdolliseksi ajateltujen esteiden läpi – voi tapahtua paljon suuremmassa mittakaavassa kuin aiemmin on uskottu.
Professori John Clarke, joka väitteli tohtoriksi Cambridgen yliopistosta vuonna 1968, on toiminut fysiikan professorina Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä vuodesta 1969. Hän on tällä hetkellä emeritusprofessori yliopiston jatko-opinnoissa.
Pariisissa syntynyt ja siellä tohtorin tutkinnon suorittanut Michel H. Devoret on sovelletun fysiikan emeritusprofessori Yalen yliopiston Yalen kvantti-instituutissa.
Tohtori John M. Martinisilla on tohtorin tutkinto Kalifornian yliopistosta Berkeleystä. Opetettuaan yliopistossa hän työskenteli viimeksi Googlen kvanttitekoälytiimissä.
1980-luvun puolivälissä Devoret liittyi Clarken tutkimusryhmään post doc -tutkijana yhdessä tohtoriopiskelija Martinisin kanssa. Yhdessä he ottivat vastaan haasteen osoittaa kvanttitunnelointiefektit makroskooppisella tasolla.
Kokeissa kolme tiedemiestä rakensivat sähköpiirin suprajohteesta, joka kykeni johtamaan virtaa ilman vastusta. Hienosäätämällä ja mittaamalla piirin ominaisuuksia he pystyivät hallitsemaan syntyviä ilmiöitä. Suprajohteen läpi liikkuvat varatut hiukkaset muodostivat järjestelmän, joka toimi ikään kuin ne olisivat yksi koko piirin täyttävä hiukkanen.
Saatat myös pitää tästä
Nämä hiukkaset ovat aluksi tilassa, jossa virta kulkee niiden läpi ilman jännitettä, ikään kuin ylitsepääsemätön este estäisi sen kulkemisen.
Kokeessa järjestelmä osoitti kvanttiominaisuuksia poistumalla tästä tilasta kvanttitunnelointiilmiön avulla. Kolme tutkijaa osoitti myös, että järjestelmä on kvantisoitu, mikä tarkoittaa, että se absorboi tai säteilee vain tietyn määrän energiaa.
Kvanttimekaniikan tunnelointiilmiön havainnollistaminen: Heitä pallo seinää vasten, niin se pomppii takaisin. Mutta heitä pieni hiukkanen, ja se kulkee seinän toiselle puolelle. Tämä ilmiö yleensä heikkenee suuremman hiukkasjoukon myötä, minkä vuoksi emme koskaan näe kenenkään kulkevan seinien läpi jokapäiväisessä elämässä. – Kuva: JOHAN JARNESTAD/Ruotsin tiedeakatemia
Tien raivaaminen kvanttiteknologialle.
Tällä kokeella on tärkeitä vaikutuksia kvanttimekaniikan ymmärtämisemme kannalta. Aiemmin makroskooppisen tason kvanttimekaaniset vaikutukset käsittivät useita mikroskooppisia hiukkasia, jotka yhdistyivät tuottaen ilmiöitä, kuten lasereita, suprajohteita ja supranesteitä. Tämän vuoden Nobel-palkinnon saaneiden kolmen fyysikon kokeet tuottivat kuitenkin suoran makroskooppisen vaikutuksen.
Tämän tyyppinen makroskooppinen kvanttitila avaa uusia mahdollisuuksia kokeille, joissa käytetään mikroskooppista maailmaa hallitsevia ilmiöitä. Sitä voidaan pitää eräänlaisena keinotekoisena atomina laajassa mittakaavassa, jota käytetään simuloimaan ja auttamaan muiden kvanttijärjestelmien tutkimusta.
Yksi tärkeä sovellus oli Martinisin myöhemmin kehittämä kvanttitietokone. Hän käytti juuri sitä energian kvantisointia, jonka hän ja kaksi muuta Nobel-palkittua olivat osoittaneet, käyttäen piirejä, joiden kvantisoidut tilat olivat kvanttibittejä tai kubitteja, alimman energiatilan ollessa 0 ja korkeammat tasot 1.
Suprajohtavat piirit ovat yksi kvanttitietokoneiden rakentamisessa tutkittavista tekniikoista. Martinis johti Googlen kvanttilaskennan tutkimusryhmää vuosina 2014–2020.
Clarke totesi, että heidän tutkimuksensa on osaltaan tasoittanut tietä teknologisille edistysaskeleille, kuten matkapuhelimen keksimiselle. Nobel-komitea vahvisti myös: ”Nykyään ei ole olemassa edistynyttä teknologiaa, joka ei perustuisi kvanttimekaniikkaan, mukaan lukien matkapuhelimet, kamerat… ja kuituoptiikka.”
Kun fysiikka ja kemia kohtaavat kvantti”tunnelissa”.
Vuoden 2025 fysiikan Nobel-palkinto myönnetään kolmelle tiedemiehelle heidän kvanttimekaniikan löydöksistään 40 vuotta sitten. Tulos ei ole täysin odottamaton, sillä UNESCO on nimennyt vuoden 2025 kansainväliseksi kvanttitieteen ja -teknologian vuodeksi.
Saatat myös pitää tästä
Nobel-komitea totesi: ”Kvanttimekaniikka on kaiken digitaalisen teknologian perusta… Heidän kokeensa loivat pohjan uusille kvanttiperiaatteisiin perustuville teknologisille edistysaskeleille.”
Nämä kolme fyysikkoa löysivät tunnelointiilmiön ja tunnistivat energiahyppyjä sähköpiireissä. Tunnelointiilmiöstä tuli pian keskeinen käsite monien kemiallisten reaktioiden selittämisessä.
Yksinkertaisesti sanottuna kuvittele Hai Vanin solan ylitys: reagoivien aineiden on yleensä ”kiivettävä sola” erittäin suurella energialla, mutta joskus ne ”kulkevat tunnelin” ja voittavat energiaesteen nopeammin aloittaakseen reaktion.
Tunnelointia opetetaan yliopistotasolla kemiallisen kinetiikan oppikirjoissa ja sitä simuloidaan kvanttimenetelmillä reaktionopeusvakioita laskettaessa. Fysiikka ja kemia ovat jälleen kerran ihmeellisesti kietoutuneet yhteen.
Professori Nguyen Minh Tho – kunniaprofessori KU Leuvenin yliopistossa, Belgiassa
Lähde: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm