Fysiikan Nobelin palkinnon saavat vuonna 2025 kolme yhdysvaltalaista kvanttimekaniikan tutkijaa, John Clarke, Michel Devoret ja John Martinis. Palkinto jaetaan tutkijoiden vuosina 1984–1985 suprajohtavilla sähköpiireillä tekemistä kokeista. He onnistuivat tekemään kvanttimaailman ilmiöt ensi kertaa näkyviksi myös makroskooppisessa mittakaavassa, varta vasten rakennetuissa sähköisissä piireissä.
Neljäkymmentä vuotta myöhemmin me kaikki hyödynnämme samoja kvanttiteknologian sovelluksia. Kvanttimekaniikan ilmiöitä hyödyntävät esimerkiksi kännyköiden ja tietokoneiden muistipiirit.
Uusin Clarken, Devoretin ja Martinisin havaintoja hyödyntävä tulokas on kvanttitietokone. Massiiviseen rinnakkaislaskentaan kykenevien kvanttitietokoneiden odotetaan pian peittoavan nykyiset supertietokoneet monissa laskentatehtävissä. Kvanttifysiikan ilmiöihin perustuvassa kvanttitietokoneessa laskennasta vastaavat kubitit rakennetaan yleensä samalla tekniikalla, jonka tutkijat esittelivät 1980-luvun kokeissaan.
Tunneloitumisilmiö esiin
Tunneloituminen on kvanttimekaniikan ilmiö, jossa yksittäinen hiukkanen pystyy läpäisemään esteen, jota sen ei klassisen fysiikan mukaan pitäisi pystyä ylittämään. Kun hiukkasia on suuri joukko, kvanttimekaaniset vaikutukset kuitenkin häviävät. Näin käy esimerkiksi, kun tietoa tallennetaan nollana tai ykkösenä tietokoneet tai muistipiirin bitteihin. Yksi bitti muodostuu tuhansien elektronien varauksesta.
Vuosina 1984 ja 1985 Clarke, Devoret ja Martinis tekivät kokeita Berkeleyn yliopiston kampuksella. He rakensivat yhden neliösentin kokoisen sähköisen piirin, jossa oli kaksi suprajohdetta, eli materiaalia, joka johtaa sähköä ilman vastusta. Nämä kaksi suprajohdetta erotettiin erittäin ohuella eristekerroksella, joka ei johtanut lainkaan sähköä. Kytkentää kutsutaan Josephsonin liitokseksi. Sen oli kehittänyt nuori fyysikko Brian Josephson vuonna 1962. Hän sai tunneloitumistutkimuksistaan fysiikan Nobelin vuonna 1973.
Kun tämän vuoden voittajat jäähdyttivät rakentamansa piirin lähelle absoluuttista nollapistettä (–273,15 °C), varaukset alkoivat kulkea suprajohteissa ilman vastusta ja näyttivät läpäisevän eristekerroksen. Tutkijat onnistuivat kokeissaan ensi kertaa tekemään kvanttimaailman oudon tunneloitumisilmiön havaittavaksi myös makromaailman sähköisessä piirissä.
Mittaukset osoittivat, että heidän suprajohtava sähköinen piirinsä pystyi tunneloitumaan tilasta toiseen – sähkövaraukset siis kulkivat eristekerroksen läpi ilman vastusta. Tutkijoiden rakentamassa suprajohtavassa piirissä iso joukko varattuja hiukkasia käyttäytyi yhdessä kuin yksi ainoa hiukkanen.
He osoittivat myös, että järjestelmä absorboi ja emittoi energiaa tietyissä kvantittuneissa annoksissa, aivan kuten kvanttimekaniikka ennustaa.
Lähtölaukaus kvanttibiteille
1980-luvun alkupuolella muun muassa fyysikko Richard Feynman oli esittänyt idean kvanttimekaniikkaan perustuvista tietokoneista. Tämän vuoden nobelistien työ oli ensimmäinen askel kohti käytännön kvanttitietokoneita, jossa kvanttilaskentaa tekevät kubitit on kytketty osaksi elektroniikkaa.
”He ovat luoneet perustan tutkimusalalle, josta ponnistavat muiden muassa suomalaisen IQM:n, IBM:n ja Googlen kvanttitietokonekehitys”, kuvaa Oulun yliopiston apulaisprofessori Matti Silveri.
Vuoden 2025 fysiikan nobelistien kokeet vuosina 1984–1985 olivat lähtölaukaus suprajohtavien kvanttitietokoneiden kehitykselle. Kuvassa suomalaisen IQM:n kvanttitietokone.
IQM
Matti Silveri teki tutkimusta yhdessä yhden nobelisteista, Michel Devoretin, kanssa työskennellessään Yalen yliopistossa tutkijana vuosina 2013–2016.
Suprajohtavia sähköpiirejä tutkiva Silveri ilahtui siitä, että Nobelin saivat tänä vuonna kvanttitekniikan kehittäjät.
”Tämä vuosi on alalla juhlavuosi, kun kvanttimekaniikan synnystä tulee kuluneeksi sata vuotta”, Silveri sanoo.
Nobel-palkitut tutkimustulosten matka käytännön tuotteiksi on kuitenkin pitkä, varsinkin kvanttiteknologian kohdalla. Clarken, Devoretin ja Martinisin vuonna 1985 tekemä piiri oli eräänlainen kvanttibitin eli kubitin esiaste. Ensimmäiset toimivat suprajohtavat kubitit näkivät päivänvalon vuoden 2000 tienoilla. Maaliskuussa 2025 saatiin käyttöön ensimmäinen 50-kubittinen eurooppalaisvalmisteinen kvanttitietokone, kun VTT:n ja IQM:n kvanttitietokone avautui yritysten ja tutkimuslaitosten käyttöön. Yksi sen käyttäjistä on Matti Silveri tutkimusryhmineen.
Fysiikan Nobel myönnettiin vuonna 2025 jo 119:n kerran. Sen on vuosina 1901–2025 saanut kaikkiaan 230 henkilöä.
Fysiikan Nobelin 2025 saajat
John Clarke, syntynyt 1942 Cambridgessa, Britanniassa. Professori Berkeleyn yliopistossa Kaliforniassa.
Michel H. Devoret, syntynyt 1953 Pariisissa, Ranskassa. Professori Yalen yliopistossa ja Santa Barbaran yliopistossa Kaliforniassa.
John M. Martinis, syntynyt 1958. Professori Santa Barbaran yliopistossa Kaliforniassa.