Årets Nobelpris i fysik går till tre forskare – John Clarke, Michel H. Devoret och John M. Martinis – för deras banbrytande experiment som bevisade att kvantfysikens bisarra regler inte bara gäller för mikroskopiska atomer, utan även för objekt som är stora nog att hålla i handen. De lyckades fånga och kontrollera kvantfenomen i ett specialdesignat elektriskt chipp.
Problemet: En kvantvärld i vår skala?
Fysikens värld är uppdelad i två regelböcker. Den ena, den klassiska fysiken, beskriver världen vi ser omkring oss – hur en boll rullar nedför en backe eller hur planeter kretsar runt solen. Den andra, kvantmekaniken, beskriver den osynliga och märkliga världen hos atomer och partiklar. I denna värld kan en partikel vara på flera platser samtidigt eller passera rakt igenom en vägg, en process som kallas ”kvanttunneling”.
En av fysikens stora gåtor har varit: var går gränsen? Hur stort kan ett system bli innan de konstiga kvanteffekterna försvinner och de klassiska reglerna tar över helt?
Upptäckten: Kvantmagi i en supraledare
Pristagarnas arbete gav ett häpnadsväckande svar. Genom en serie geniala experiment i mitten av 1980-talet visade de att kvantmekaniken kan observeras på en ”makroskopisk” skala.
Upptäckten gjordes i flera steg:
- Ett partikelliknande system: Forskarna byggde en elektrisk krets av supraledare – material som kan leda ström helt utan motstånd. I kretsen fanns en liten barriär av ett icke-ledande material, en så kallad Josephsonövergång. När de skickade ström genom kretsen betedde sig alla laddningsbärande partiklar som en enda, sammanhängande enhet – ett slags gigantisk ”kvantpartikel” som fyllde hela kretsen.
- Makroskopisk kvanttunneling: Detta system var från början ”fast” i ett tillstånd utan elektrisk spänning, ungefär som en boll i en grop den inte har energi nog att ta sig ur. Enligt klassisk fysik skulle den stanna där för evigt. Men plötsligt kunde forskarna mäta att en spänning uppstod. Det var som om bollen hade dykt upp på andra sidan gropens vägg utan att ha rullat över den. Hela det makroskopiska systemet hade ”tunnlat” genom energibarriären – ett tydligt bevis på kvantmekanik i stor skala.
- Kvantiserad energi: De bevisade också att systemet hade kvantiserade energinivåer. Det betyder att det bara kunde absorbera energi i bestämda, exakta portioner (kvanta), inte i en jämn ström. Det är som en trappa där man bara kan stå på stegen, inte mitt emellan. Detta bekräftade att de hade skapat ett äkta, storskaligt kvantsystem.
Pristagarna
- John Clarke, född 1942, är professor vid University of California, Berkeley, USA.
- Michel H. Devoret, född 1953, är professor vid Yale University och University of California, Santa Barbara, USA.
- John M. Martinis, född 1958, är professor vid University of California, Santa Barbara, USA.
Varför är detta viktigt?
Denna upptäckt var inte bara en triumf för grundforskningen; den lade grunden för en helt ny teknisk revolution. Genom att visa att man kan bygga och kontrollera kvantsystem på ett chipp öppnade pristagarna dörren för kvantdatorer.
De elektriska kretsar som pristagarna använde är direkta föregångare till de ”supraledande kvantbitar” (qubits) som idag utgör hjärtat i några av världens mest avancerade kvantdatorer, byggda av företag som Google och IBM. Upptäckten har även lett till utvecklingen av andra banbrytande teknologier, som extremt känsliga kvantsensorer och nya metoder för säker kommunikation (kvantkryptografi). Deras arbete har tagit kvantmekaniken från en teoretisk idé till ett praktiskt verktyg som formar framtidens teknologi.
