Fizikai Nobel-díjjal ismerték el a makroszkópos kvantummechanikai effektusok felfedezését

John Clarke a brit Cambridge-ben született, és szülővárosa egyetemén szerzett doktorátust, később a berkeley-i Kaliforniai Egyetem professzora lett. Michel H. Devoret Párizsban született, a Paris-Sud Egyetemen végzett, majd a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetemen érte el legfontosabb eredményeit. A harmadik díjazott, John M. Martinis a berkeley-i Kaliforniai Egyetemen szerzett doktorátust, majd az egyetem Santa Barbara-i részlegének professzora lett.

John Clarke, Michel H. Devoret és John M. Martinis
Fotó: Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

A díjazottak korszakalkotó kísérleteikben demonstrálták, hogy a kvantumos alagúteffektus (amelynek során egy részecske képes áthaladni egy falnak tűnő mikroszkopikus határon és megjelenni a fal másik oldalán) makroszkopikus léptékben is megfigyelhető, amikor a rendszert nem egy vagy néhány, hanem rengeteg részecske alkotja.

Ezzel megcáfolták azt az addig általánosan elfogadottnak tekintett vélekedést, miszerint a kvantummechanika jelenségei kizárólag a mikroszkopikus világban számottevőek, de amikor egyre több részecske alkotja a rendszert, irrelevánssá válnak.

1984–85 ben a három kitüntetett egy sor tudománytörténeti jelentőségű vizsgálatot végzett a berkeley-i Kaliforniai Egyetemen. Elektromos áramkört építettek két szupravezető felhasználásával. A szupravezetők ellenállás nélkül képesek vezetni az elektromos áramot. A két szupravezető-réteget egy vékony szigetelőréteggel választották el. A kísérletben sikerült elérniük, hogy a szupravezetőben áramló összes töltött részecske egységesen viselkedjen, mintha egyetlen részecskeként töltötték volna ki az egész áramkört.
E részecskeszerű tulajdonságokat mutató rendszerben az áram feszültség nélkül áramlott, és képes volt megvalósítani az alagúteffektust is. A kutatóknak azt is sikerült bizonyítaniuk, hogy a rendszer kvantumosan viselkedik, vagyis csak meghatározott mennyiségű energiát képes elnyelni, illetve leadni.

A berkeley-i kutatócsoportot Clarke alapította, miután áttette a székhelyét Cambridge-ből Kaliforniába. Az 1980-as években csatlakozott hozzá posztdoktori kutatóként Devoret, aki nem sokkal korábban szerzett doktorátust Párizsban, majd doktoranduszként megérkezett Martinis is. Hatalmas munka volt úgy beállítani a kísérleti berendezést, hogy az alkalmassá váljon a makroszkópos kvantumos jelenségek demonstrálására.

A díjazottak úttörő kísérlete a kvantummechanikai kutatások teljesen új irányát indította el. A létrejött makroszkópos kvantumállapotot egyetlen hatalmas mesterséges atomként is lehet értelmezni, amely méretét kihasználva beláthatatlan távlatokat nyitott a későbbi fizikai kutatások számára. Martinis később a kvantumszámítógépekkel kapcsolatos kezdeti kutatásokba is bekapcsolódott, amihez közvetlenül is felhasználta a most Nobel-díjjal jutalmazott eredményeit. A kvantumos energiaállapotokat elérni képes áramkörök felhasználásával kvantumbiteket – vagyis qubiteket – hozott létre. Ily módon az idén kitüntetett kutatások fontos szerepet játszottak a működőképes kvantumszámítógépek kifejlesztését eredményező törekvések elindításában is.