جایزه نوبل فیزیک به خاطر کار کوانتومی در تأمین انرژی کامپیوترهای نسل بعدی اهدا شد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، با آغاز مراسم رسمی اعلام جوایز نوبل در شهر استکهلم، برندگان جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۵ معرفی شدند.

 

کمیته نوبل جایزه نوبل فیزیک امسال را به جان کلارک (John Clarke)، میشل اچ. دوورت (Michel H. Devoret) و جان‌ام. مارتینز (John M. Martinis) برای کشف "پدیده تونل‌زنی مکانیکی کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی و کوانتیده شدن انرژی در یک مدار الکتریکی" اهدا کرد.

 

این جایزه هر سال از سوی آکادمی سلطنتی علوم سوئد به دانشمندانی اهدا می‌شود که دستاوردی برجسته در گسترش درک بشر از جهان فیزیک داشته‌اند.

 

کمیته نوبل بلافاصله پس از اعلام نتایج تماسی تلفنی با یکی از برندگان، جان کلارک برقرار کرد. جان کلارک در این مصاحبه به سوالات خبرنگاران پاسخ داد. از او پرسیده شد که آیا تصور می‌کرده که کار او برنده جایزه نوبل شود؟ او پاسخ داد که هیچ‌گاه فکر نمی‌کرده پژوهش او برنده جایزه نوبل شود.

 

او که به نظر می‌رسید از دریافت این جایزه غافلگیر شده است، در پاسخ به خبرنگاران گفت که نمی‌تواند به درستی صحبت کند با این وجود در ادامه به چندین سوال دیگر نیز پاسخ داد.

 

او در پاسخ به اینکه پژوهش او برای مصرف‌کنندگان معمولی چه فایده‌ای خواهد داشت، گفت: این کار کاربرد‌های روشنی دارد، مواردی مانند تلفن‌های همراه. من در حال حاضر با تلفن همراهم با شما صحبت می‌کنم و یکی از دلایلی که تلفن‌های همراه کار می‌کنند همین مطالعات است.

 

جان کلارک از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، ایالات متحده آمریکا، میشل اچ. دوورِت از دانشگاه ییل، نیوهِیوِن، کانتیکت و دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، ایالات متحده آمریکا و جان‌ام. مارتینیز از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، ایالات متحده آمریکا جایزه نوبل ۲۰۲۵ را به صورت مشترک برنده شدند.

 

آزمایش‌های آنها روی یک تراشه، فیزیک کوانتومی را در عمل نشان داد. یکی از پرسش‌های بزرگ در فیزیک این است که بیشترین اندازه‌ی سامانه‌ای که می‌تواند اثر‌های مکانیک کوانتومی را نشان دهد چقدر است و برندگان جایزه نوبل امسال، آزمایش‌هایی را با یک مدار الکتریکی انجام دادند که در آن توانستند هر دو پدیده تونل‌زنی کوانتومی و تراز‌های انرژی کوانتیده را در سامانه‌ای نشان دهند که آن‌قدر بزرگ بود که می‌شد آن را در دست گرفت. مکانیک کوانتومی به یک ذره اجازه می‌دهد که مستقیما از درون یک مانع عبور کند. این فرایندی است که «تونل‌زنی» نام دارد. اما به‌محض اینکه تعداد زیادی ذره درگیر شوند، اثر‌های کوانتومی معمولا بی‌اهمیت می‌شوند.

 

آزمایش‌های این برندگان نشان داد که ویژگی‌های کوانتومی را می‌توان به‌طور ملموس در مقیاس ماکروسکوپی نیز ایجاد کرد.

 

به زبان ساده می‌توان گفت تصور کنید که یک توپ را به سمت یک دیوار پرتاب می‌کنید. در واقعیت توپ از دل دیوار عبور نمی‌کند، اما در دنیای کوانتومی که ذراتی همجون اتم‌ها و الکترون‌های بسیار ریز وجود دارند گاهی این اتفاق جادویی رخ می‌دهد. یعنی توپ یا همان ذره از سمت دیگر دیوار بیرون می‌آید. به چنین پدیده‌ای تونل‌زنی کوانتومی گفته می‌شود. با این وجود این اتفاق برای ذرات بسیار کوچک رخ می‌دهد که ما قادر به دیدن یا لمس آنها نیستیم.

 

اما اکنون برنده‌های نوبل فیزیک ۲۰۲۵ با ساخت یک مدار الکتریکی موفق به ساخت سامانه‌ای شده‌اند که مشابه ذرات کوانتومی رفتار می‌کرد. این سامانه به اندازه‌ای بزرگ بود که می‌شد آن را با دست گرفت.

 

این بدان معناست که آنها نشان دادند، جادوی دنیای کوانتوم تنها متعلق به ذرات بسیار ریز نیست و می‌توان آن را در سامانه‌های بزرگ‌تر نیز به نمایش گذاشت.

 

در سال‌های ۱۹۸۴ و ۱۹۸۵، جان کلارک، میشل اچ. دوورت و جان‌ام. مارتینیز مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را با مداری الکترونیکی از جنس ابررسانا‌ها انجام دادند. اینها اجزایی بودند که می‌توانند جریانی را بدون هیچ مقاومت الکتریکی هدایت کنند.

 

در این مدار، اجزای ابررسانا با لایه‌ای نازک از ماده‌ای نارسانا از هم جدا شده بودند؛ ساختاری که اتصال جوزفسون (Josephson junction) نام دارد. آنها با بهبود و اندازه‌گیری دقیق تمام ویژگی‌های مختلف مدارشان توانستند پدیده‌هایی را که هنگام عبور جریان از مدار پدید می‌آمد، کنترل و بررسی کنند. مجموعه‌ی ذرات بارداری که درون ابررسانا حرکت می‌کردند، سامانه‌ای را تشکیل می‌دادند که چنان رفتار می‌کرد گویی یک ذرهٔ واحد است که کل مدار را پر کرده است.

 

این سامانه‌ی شبه‌ذره‌ای ماکروسکوپی در آغاز در حالتی قرار دارد که در آن جریان بدون هیچ ولتاژی جریان دارد. سامانه در این حالت گیر افتاده است مانند آنکه پشت مانعی باشد که نمی‌تواند از آن عبور کند. در آزمایش، سامانه ویژگی کوانتومی خود را نشان می‌دهد، زیرا موفق می‌شود از حالتِ بدون‌ولتاژ از راه تونل‌زنی بگریزد. تغییر حالت سامانه از طریق پدیدار شدن ولتاژ قابل شناسایی است.

 

برندگان همچنین توانستند نشان دهند که سامانه مطابق پیش‌بینی مکانیک کوانتومی رفتار می‌کند. یعنی کوانتیده شده است. به این معنا که فقط می‌تواند مقادیر خاصی از انرژی را جذب یا ساطع کند.

 

اوله اریکسون، رئیس کمیته نوبل فیزیک می‌گوید: فوق‌العاده است که می‌توانیم راه‌هایی را جشن بگیریم که مکانیک کوانتومیِ صدساله همچنان شگفتی‌های تازه‌ای را با آنها ارائه می‌کند. این علم همچنین فوق‌العاده سودمند است، زیرا مکانیک کوانتومی پایه و اساس تمام فناوری‌های دیجیتال است. ترانزیستور‌ها در ریزتراشه‌های رایانه‌ای نمونه‌ای از فناوری کوانتومی شناخته‌شده‌ای هستند که در پیرامون ما قرار دارند.

 

جایزه نوبل فیزیک امسال فرصت‌هایی را برای توسعه نسل بعدی فناوری‌های کوانتومی از جمله رمزنگاری کوانتومی، رایانه‌های کوانتومی و حسگر‌های کوانتومی فراهم کرده است.