Zdroj úvodní fotografie: NobelPrize.org

Ještě donedávna se zdálo, že kvantová fyzika patří jen do světa atomů a elementárních částic. Laureáty letošní Nobelovy ceny za fyziku se stali John Clarke, Michel H. Devoret a John M. Martinis. Dokázali, že kvantové jevy lze pozorovat i u objektů dost velkých, aby se vešly do lidské dlaně. Jejich experimenty s elektrickým obvodem ze supravodičů přinesly první přímé důkazy o kvantovém tunelování a kvantovaných energetických hladinách v makroskopickém systému.

Kvantová fyzika v makroskopickém světě

Kvantová mechanika popisuje chování částic, které se mohou chovat jako vlny a „tunelovat“ přes překážky, jež by podle klasické fyziky neměly být překonatelné. U větších objektů se však tyto jevy obvykle ztrácejí. Clarke, Devoret a Martinis ale vytvořili experiment, který dokázal, že kvantové chování přetrvává i v systémech složených z obrovského počtu částic, například v elektrickém obvodu.

Josephsonův přechod a kvantové tunelování

Vědci v letech 1984–1985 sestrojili speciální obvod ze supravodičů oddělených tenkou vrstvou izolantu, známý jako Josephsonův přechod. Supravodiče vedou proud bez odporu a nabité částice v nich se chovají jako jedna „kolektivní“ kvantová entita. Když proud dosáhl určité hranice, celý systém jako by narazil na energetickou překážku – přesto ji dokázal překonat, a to ne díky síle, ale díky kvantovému tunelování. Tento přechod se projevil vzplanutím elektrického napětí, přímým důkazem kvantového chování v makroskopickém měřítku.

Důkaz kvantovaných energií

Laureáti také pozorovali, že systém pohlcuje a vyzařuje energii po přesně daných „kvantech“, nikoli spojitě. Tento jev odpovídá základnímu principu kvantové fyziky, že energie existuje jen v diskrétních hodnotách. To potvrdilo, že i makroskopické elektrické obvody se mohou řídit kvantovými zákony.

Brána ke kvantové technologické éře

„Je fascinující, že kvantová mechanika, stará více než sto let, stále přináší nové objevy,“ uvedl Olle Eriksson, předseda Nobelova výboru. Právě tyto experimenty položily základ moderních kvantových technologií: od kvantových počítačů přes senzory až po kryptografii. Letošní ocenění tak připomíná, že hranice mezi mikroskopickým a makroskopickým světem není tak ostrá, jak jsme si mysleli, a že i obyčejný čip může být oknem do samotného srdce kvantové reality.

Zdroje k hlubšímu bádání

Their experiments on a chip revealed quantum physics in action