Nobel z fizyki 2025, czyli jak złapać kota Schrödingera w obwodzie elektrycznym

Kiedy Erwin Schrödinger w 1926 roku zaproponował swoje równanie, otworzył drzwi do świata, w którym cząstki zachowują się jak fale, przenikając przez bariery energetyczne niczym duchy. To zjawisko właśnie – tunelowanie kwantowe zwane także efektem tunelowym – tłumaczy, dlaczego w jądrze atomu mogą zachodzić reakcje, których klasyczna fizyka nigdy by nie dopuściła. Dzięki niemu Słońce świeci, a atomy promieniotwórcze się rozpadają. Bez tego efektu Wszechświat wyglądałby zupełnie inaczej: nie byłoby fuzji, a więc i gwiazd, światła, chemii, życia.

Jednak przez dekady efekt tunelowy pozostawał zjawiskiem zarezerwowanym dla najmniejszych skal rzeczywistości. Fizycy mogli je opisać, przewidzieć i wykorzystać, np. w diodach czy tranzystorach, ale nikt nie potrafił wyobrazić sobie, że można by je zobaczyć gołym okiem – w czymś większym niż atom.

W drugiej połowie XX wieku coraz śmielej zadawano pytanie: czy kwantowe „magiczne sztuczki” da się przenieść do makroskali? Czy świat, w którym żyjemy, jest naprawdę klasyczny, czy może cały czas tańczy w rytmie praw mechaniki kwantowej, tylko zwykle tego nie widzimy?

Superprąd, czyli prąd na sterydach

Cofnijmy się o prawie 115 lat.

W 1911 roku holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes badał, jak metale zachowują się w ekstremalnie niskich temperaturach. Gdy schłodził próbkę rtęci do zaledwie czterech stopni Kelwina powyżej zera absolutnego (-269,15 °C) , zauważył coś niewiarygodnego: opór elektryczny nagle spadł do zera. Prąd mógł krążyć w zamkniętej pętli bez końca – bez baterii, bez strat, bez ciepła.

Onnes nie mógł w to uwierzyć, ale tak właśnie odkrył nadprzewodnictwo – stan materii, w którym znika opór elektryczny, a energia przepływa z całkowitą swobodą.

Przez następne dziesięciolecia naukowcy próbowali zrozumieć, dlaczego tak się dzieje. Klasyczna fizyka nie dawała odpowiedzi. Wydawało się niemożliwe, by elektrony – cząstki o jednakowym ładunku, które powinny się odpychać – mogły nagle zacząć współpracować. Dopiero w 1957 roku trzej amerykańscy fizycy: John Bardeen, Leon Cooper i Robert Schrieffer przedstawili teorię, która przeszła do historii jako teoria BCS (mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa).

Wyjaśnili, że w ekstremalnie niskich temperaturach elektrony nie poruszają się chaotycznie, lecz zaczynają łączyć się w tzw. pary Coopera. Każda z nich zachowuje się jak jedna cząstka, a wszystkie razem tworzą coś w rodzaju „orkiestry”, rozciągającej się przez cały kryształ. To już nie zbiór oddzielnych elektronów, lecz jeden wielki organizm kwantowy. W takim stanie prąd może płynąć w nieskończoność, a jego przepływ nie generuje nawet ułamka ciepła.

To właśnie ten niezwykły taniec elektronów nazwano superprądem. I to on stał się podstawą zjawisk, które pół wieku później pozwoliły fizykom z Berkeley pokazać światu, że kwantowy porządek może obejmować nie tylko atomy, lecz całe obwody elektryczne.

Tunel z kwantowego snu

Ponad 50 lat od obserwacji Onnesa, w 1962 roku, młody doktorant z Cambridge, Brian Josephson, zadał proste, lecz rewolucyjne pytanie: co się stanie, jeśli dwa nadprzewodniki oddzielimy cieniutką warstwą izolatora? Klasycznie: nic. Prąd nie popłynie, bo elektronów nie da się „przepchnąć” przez barierę. Ale Josephson wykazał teoretycznie, że pary Coopera mogą mimo wszystko „przedostawać się” z jednej strony na drugą.

Tak powstało coś zupełnie nowego – złącze Josephsona – element, który łączy dwa światy: klasyczny i kwantowy. W takim złączu prąd płynie bez różnicy napięcia, jakby rzeczywistość na moment przymykała oczy na własne zasady. Złącze to reaguje na najmniejsze zmiany pola magnetycznego, dlatego już w latach 60. stało się podstawą niezwykle czułych detektorów – tzw. SQUID-ów – które potrafią wychwytywać pola magnetyczne miliony razy słabsze od ziemskiego.

Ale dla fizyków te urządzenia miały jeszcze większe znaczenie: były bramą do świata makroskopowych zjawisk kwantowych. Skoro prąd w złączu Josephsona zachowuje się jak fala kwantowa, to może da się zbudować układ, który byłby jednocześnie w dwóch stanach?

Kot Schrödingera z drutu

Na to pytanie jako pierwszy odpowiedział Anthony Leggett, brytyjski fizyk-teoretyk, który w 1978 roku zasugerował, że takie zjawisko można by zaobserwować właśnie w nadprzewodnikowych obwodach. W jego wizji zamiast kota, którego los zależy od rozpadu atomu, pojawił się układ z prądem płynącym jednocześnie w dwóch kierunkach.

Teoretycznie było to możliwe, ale praktycznie – szalenie trudne. Układ musiałby być absolutnie czysty, chłodzony do temperatur milikelwinowych i doskonale odizolowany od świata zewnętrznego, bo najmniejsze drganie atomu, najmniejszy foton z otoczenia natychmiast zniszczyłby delikatny stan superpozycji.

Właśnie to zadanie wzięli na siebie John Clarke, Michel Devoret i John Martinis z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Ich pomysł był odważny: stworzyć obwód elektryczny, który zachowywałby się jak pojedyncza cząstka kwantowa.

Zbudowali złącze Josephsona, przez które przepuszczali prąd mniejszy niż tzw. prąd krytyczny. W takiej konfiguracji układ „blokował się” w lokalnym minimum potencjału, jak kulka w dolinie „pochylonej” energetycznej zjeżdżalni.

Klasyczna fizyka mówiła, że kulka zostanie tam na zawsze. Ale według mechaniki kwantowej – mogła przejść przez barierę i znaleźć się po drugiej stronie. W momencie, gdy to się działo, w obwodzie pojawiał się króciutki impuls napięcia – kwantowy ślad po ucieczce z doliny. To właśnie ten impuls Clarke, Devoret i Martinis nauczyli się rejestrować.

Zobaczyć kwantowe schodki energii

Eksperyment z Berkeley był majstersztykiem inżynierii. Fizycy skonstruowali najbardziej „cichy” układ pomiarowy swoich czasów, wyposażony w filtry z miedzianego proszku tłumiące wszelkie mikrofale – od 0,1 do 12 gigaherców. Układ schłodzono do temperatury zaledwie 0,1 K, czyli jednej dziesiątej stopnia powyżej zera absolutnego.

W takich warunkach zarejestrowali coś, czego klasyczna fizyka nie potrafiła wyjaśnić: prąd „tunelował” przez barierę energetyczną bez żadnej pomocy z zewnątrz. Co więcej, z czasem badacze odkryli, że układ nie tylko tuneluje, ale ma także dyskretne poziomy energii, zupełnie jak atom.

Kiedy bombardowali go falami mikrofalowymi, obwód przeskakiwał pomiędzy tymi poziomami. To był moment przełomowy: potwierdzenie, że makroskopowy układ może mieć kwantowe schodki energetyczne. Albo inaczej mówiąc: że w kawałku nadprzewodnika naprawdę można zobaczyć zachowanie znane z nanoskali.

To, co zaczęło się jako fundamentalne badanie granic mechaniki kwantowej, z czasem stało się fundamentem rewolucji technologicznej. Złącza Josephsona i nadprzewodnikowe obwody kwantowe dały początek kubitom – kwantowym odpowiednikom bitów komputerowych, zdolnym do istnienia w dwóch stanach jednocześnie.

W 1999 roku japoński zespół z firmy NEC stworzył pierwsze tzw. pudełko Coopera, w którym udało się zaobserwować drgania między stanami kwantowymi. Dziś ta sama idea napędza procesory kwantowe Google'a, IBM-a czy Rigetti. Co więcej, jednym z liderów zespołu, który w 2019 roku ogłosił pierwsze dowody tzw. supremacji kwantowej (sytuacji, w której komputer kwantowy wykonuje obliczenie szybciej niż jakikolwiek klasyczny komputer na świecie), był właśnie John Martinis – jeden z tegorocznych laureatów Nobla.

Świat od zawsze był kwantowy

Kiedy John Clarke wspomina dziś swoje eksperymenty, przyznaje, że najbardziej zaskoczyło go to, jak „duże” mogą być efekty kwantowe, jeśli tylko zapewni się im odpowiednie warunki. To odkrycie zmieniło nie tylko fizykę, ale i nasze wyobrażenie o rzeczywistości.

Bo jeśli prąd w kawałku drutu może znajdować się jednocześnie w dwóch stanach, to – jak zauważył sam Schrödinger – granica między fikcją a nauką znów się przesunęła. A może wcale jej nigdy nie było? Być może świat od zawsze był kwantowy, tylko dopiero teraz nauczyliśmy się to zauważać.

Najsłynniejszy kot świata, który nigdy nie istniał

Kot Schrödingera to najsłynniejszy bohater w historii fizyki kwantowej – choć nigdy nie istniał naprawdę. Austriacki fizyk Erwin Schrödinger wymyślił go w 1935 roku jako paradoks myślowy, który miał obnażyć absurdalność stosowania zasad mechaniki kwantowej do świata codziennych przedmiotów.

W jego eksperymencie hipotetyczny kot zostaje zamknięty w pudełku z fiolką trucizny, radioaktywnym atomem i detektorem promieniowania. Jeśli atom się rozpadnie – mechanizm uwalnia truciznę i kot ginie; jeśli nie – pozostaje przy życiu.

Zgodnie z równaniami kwantowymi, dopóki nikt nie zajrzy do środka, cały układ istnieje w superpozycji dwóch stanów – kot jest jednocześnie żywy i martwy. Dopiero akt obserwacji „decyduje”, który z tych stanów stanie się rzeczywistością. To miała być prowokacja intelektualna, pokazująca, jak dziwne i nieintuicyjne są prawa świata kwantowego.

Dziś jednak kot Schrödingera przestał być tylko metaforą. W laboratoriach fizycy potrafią tworzyć makroskopowe wersje takiej superpozycji. Gdy obwód Josephsona znajduje się jednocześnie w dwóch stanach – z prądem płynącym i niepłynącym – staje się elektronicznym kotem Schrödingera. Paradoks, który miał obnażyć granice fizyki kwantowej, dziś jest jej najbardziej namacalnym dowodem.