Πώς μπορεί κάτι τόσο αόρατο και μυστηριώδες όσο η κβαντική φυσική να εκδηλωθεί σε ένα αντικείμενο που μπορούμε να κρατήσουμε; Το ερώτημα αυτό απασχολούσε τους φυσικούς εδώ και δεκαετίες, αλλά οι John Clarke, Michel H. Devoret και John M. Martinis έδωσαν μια εντυπωσιακή απάντηση.
Οι επιστήμονες κατόρθωσαν να αποδείξουν ότι τα πιο παράδοξα φαινόμενα της κβαντομηχανικής μπορούν να εμφανιστούν σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα μετρήσιμων διαστάσεων – ένα επίτευγμα που τιμήθηκε με το φετινό Βραβείο Nobel Φυσικής.
Η εργασία τους επικεντρώθηκε σε δύο χαρακτηριστικά της κβαντικής φυσικής: το φαινόμενο της διέλευσης μέσα από ένα φράγμα, γνωστό ως tunnelling, και την ποσοτικοποίηση της ενέργειας, δηλαδή το γεγονός ότι ένα σύστημα μπορεί να απορροφά ή να εκπέμπει μόνο συγκεκριμένα «πακέτα» ενέργειας. Αυτές οι συμπεριφορές θεωρούνται χαρακτηριστικές των υποατομικών σωματιδίων. Ωστόσο, οι Clarke, Devoret και Martinis απέδειξαν ότι μπορούν να συμβούν και σε κάτι πολύ μεγαλύτερο, ορατό ακόμη και στο μάτι.
Το μυστικό βρίσκεται στα λεγόμενα υπεραγώγιμα κυκλώματα. Οι τρεις ερευνητές, τη δεκαετία του 1980, κατασκεύασαν ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα αποτελούμενο από υπεραγωγούς – υλικά που επιτρέπουν τη ροή ρεύματος χωρίς καμία ηλεκτρική αντίσταση. Ανάμεσα σε δύο τέτοιους υπεραγωγούς τοποθέτησαν ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα μονωτικού υλικού, σχηματίζοντας αυτό που είναι γνωστό ως Josephson junction.
Με αυτό το κύκλωμα στα χέρια τους, οι επιστήμονες ξεκίνησαν μια σειρά πειραμάτων το 1984 και το 1985. Ρυθμίζοντας με ακρίβεια τις φυσικές παραμέτρους του συστήματος, κατάφεραν να ελέγξουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων που κινούνταν μέσα από τον υπεραγωγό. Το εντυπωσιακό ήταν ότι όλο το κύκλωμα άρχισε να συμπεριφέρεται σαν να αποτελούσε ένα ενιαίο, «μακροσκοπικό σωματίδιο» — μια συλλογική οντότητα που ακολουθούσε τους ίδιους κβαντικούς κανόνες που ισχύουν για τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια.
Αρχικά, το σύστημα βρισκόταν σε μια σταθερή κατάσταση όπου ρεύμα κυλούσε χωρίς να εμφανίζεται καθόλου τάση. Θα μπορούσε να πει κανείς πως το κύκλωμα ήταν «παγιδευμένο» πίσω από ένα αόρατο ενεργειακό εμπόδιο, ανίκανο να το υπερβεί. Κι όμως, σε μια καθαρά κβαντική επίδειξη, το κύκλωμα κατάφερε να «ξεφύγει» μέσω του tunnelling – πέρασε δηλαδή μέσα από το φράγμα χωρίς να το υπερβεί με κλασικό τρόπο. Η αλλαγή αυτή ανιχνεύτηκε από την ξαφνική εμφάνιση μιας τάσης στο κύκλωμα.
Αλλά δεν σταμάτησαν εκεί. Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης ότι το σύστημά τους δεν απορροφούσε ή εξέπεμπε οποιαδήποτε ποσότητα ενέργειας, αλλά μόνο ορισμένες συγκεκριμένες τιμές. Με αυτόν τον τρόπο, απέδειξαν ότι ακόμη και ένα ηλεκτρικό κύκλωμα μεγέθους ενός chip μπορεί να παρουσιάσει ποσοτικοποιημένη ενεργειακή συμπεριφορά – κάτι που μέχρι τότε θεωρούνταν αποκλειστικό προνόμιο του μικρόκοσμου.
«Είναι συναρπαστικό να βλέπουμε πώς η κβαντική μηχανική, παρότι θεμελιώθηκε πριν από έναν αιώνα, εξακολουθεί να μας ξαφνιάζει και να αποδεικνύεται εξαιρετικά χρήσιμη», σχολίασε ο Olle Eriksson, πρόεδρος της Nobel Committee for Physics. «Χωρίς αυτήν, η σύγχρονη ψηφιακή τεχνολογία απλώς δεν θα υπήρχε».
Πράγματι, η καθημερινότητά μας είναι ήδη γεμάτη εφαρμογές που στηρίζονται στην κβαντική φυσική, έστω κι αν δεν το συνειδητοποιούμε. Οι ημιαγωγοί και τα transistors στα microchips των υπολογιστών μας λειτουργούν χάρη σε κβαντικά φαινόμενα. Ωστόσο, η φετινή διάκριση ανοίγει τον δρόμο για κάτι πολύ πιο προχωρημένο: τη νέα γενιά κβαντικών τεχνολογιών.
Οι ανακαλύψεις των Clarke, Devoret και Martinis δίνουν ώθηση σε πεδία όπως η κβαντική κρυπτογραφία, που υπόσχεται απόλυτα ασφαλή επικοινωνία, οι κβαντικοί υπολογιστές, οι οποίοι θα ξεπεράσουν κατά πολύ τα όρια της σημερινής επεξεργαστικής ισχύος, και οι κβαντικοί αισθητήρες, ικανοί να μετρούν το παραμικρό φυσικό μέγεθος με πρωτοφανή ακρίβεια.
[via]
