Nobel pentru fizică: quantica pe care o poți atinge cu mâna

John Clarke, Michel Devoret și John Martinis sunt trei cercetători care, în urmă cu patru decenii, lucrau într-un laborator al Universității din California, Berkeley, la o întrebare aparent abstractă: cât de mare poate fi un sistem care încă se comportă după regulile mecanicii cuantice. În 1985, echipa a reușit să arate că un sistem vizibil, la scară cu mult mai mare decât particulele subatomice, poate manifesta comportament cuantic. Patru decenii mai târziu, cei trei au fost distinși cu Premiul Nobel pentru acea cercetare, devenită între timp temelia unuia dintre cele mai promițătoare drumuri către calculatorul cuantic.

De ce a fost descoperirea atât de importantă? Pentru că mecanica cuantică descrie comportamentul unor particule precum electronii, fotonii sau protonii — comportamente pe care, deși fac posibile tehnologii de zi cu zi, nu le trăim direct în lumea din jurul nostru.

„Mecanica cuantică a fost creată pentru a explica fenomene care par să sfideze fizica clasică”, explică Irfan Siddiqi, profesor la Universitatea din California, Berkeley. Într-un sistem clasic — o minge de baschet aruncată spre coș — fiecare mărime, precum poziția sau viteza, are o valoare precisă în orice moment. Stările cuantice, în schimb, nu au valori definite până în momentul măsurării; oamenii de știință folosesc probabilități pentru a descrie rezultatele posibile.

Experimentul a arătat cuantificarea și tunelarea într-un circuit electric

Cercetarea premiată s-a concentrat pe două fenomene. Cuantificarea este ideea că particulele cuantice pot avea doar cantități discrete, „în trepte”, de energie — spre deosebire de mingea de baschet, care poate avea o gamă continuă de energii. Tunelarea cuantică este capacitatea particulelor de a trece prin bariere pe care, conform fizicii clasice, nu ar trebui să le poată depăși. Fenomenul apare în natură: nucleele instabile se dezintegrează prin tunelare, iar fuziunea din interiorul Soarelui se bazează pe el.

Meritul echipei de la Berkeley a fost să arate aceste efecte nu la nivelul unei particule, ci într-un sistem — după cum s-a scris atunci — „suficient de mare încât să pui degetele murdare pe el”.

De regulă, efectele cuantice sunt atât de fragile încât mediul înconjurător le perturbă, iar în anumite materiale apar doar la temperaturi extrem de scăzute. „Există o regulă generală în fizică: elementele fundamentale sunt cuantice, dar până le poți vedea cu ochiul sau atinge cu mâna, totul se pierde”, spune Alicia Kollár, profesoară la Universitatea din Maryland. Tocmai de aceea observarea cuantificării și a tunelării la o scară mai mare a constituit o dovadă concretă că mecanica cuantică se aplică și sistemelor mai ample.

De ce contează pentru tehnologia de mâine

Descoperirea din 1985 s-a sprijinit pe un progres anterior, din anii 1960, legat de materialele supraconductoare — materiale care transportă electricitatea fără a pierde energie sub formă de căldură, deoarece, răcite suficient, electronii se aliniază în perechi. Pe această bază a fost construit conceptul de qubit supraconductor.

Pentru cititorul de astăzi, semnificația este directă: qubiții supraconductori sunt cărămizile din care marile companii tehnologice și laboratoarele de cercetare încearcă să construiască primele calculatoare cuantice funcționale. Cu alte cuvinte, întrebarea teoretică pe care cei trei laureați și-au pus-o acum patru decenii — unde se află granița dintre lumea clasică pe care o percepem și cea cuantică — s-a transformat într-un întreg domeniu tehnologic.

„În lumea clasică în care trăim, totul este mecanic cuantic”, rezumă Yao Lu, cercetător la Fermi National Accelerator Laboratory și la Superconducting Quantum Materials and Systems Center. „Dar nu putem observa cu adevărat, în viața de zi cu zi, comportamentele cuantice.”

Credeți că vom vedea calculatoare cuantice utile în viața de zi cu zi? Spuneți-ne cum credeți că va schimba această tehnologie viitorul.