Zašto je to važno? Zato što otvara put prema kvantnom računalstvu, prema novim oblicima mjerenja i zaštite informacija. Ovogodišnja Nobelova nagrada iz fizike spada u blok tzv. makroskopske kvantne mehanike i tehnologija koje polako sazrijevaju prema komercijalnim primjenama.

Prije nego što se upustimo u tehnologiju, trebamo razumjeti fiziku. Riječ 'kvantno' potječe od latinske riječi quantum, što znači 'koliko', 'kolika količina'. Kako u svijetu atoma energija ne dolazi u neprekinutom toku, nego u diskretnim porcijama, taj dio fizike nazvan je kvantna fizika. Slično, iako nam voda u čaši djeluje kontinuirano i neprekinuto znamo da je sastavljena od nedjeljivih diskretnih jedinca koje čine vodu, molekula vode.

Jedan od čudnijih fenomena kvantnog svijeta je tuneliranje. Kvantni objekti (elektroni, protoni, fotoni) ne ponašaju se kao čestice ili valovi. Ovisno od eksperimenta koji provodimo, oni se mogu ponašati poput čestica ili valova. Ispravno je reći da ih opisujemo valnim funkcijama, točnije matematičkim objektima koji nose svu informaciju o sustavu koji promatramo i koji nam mogu poslužiti, pored ostalog, za računanje vjerojatnosti gdje bi se opažani kvantni objekt mogao nalaziti.

Priča počinje oko apsolutne nule

S obzirom na to da je valna funkcija definirana u cijelom prostoru, kvantni objekt može biti na mjestima gdje klasična fizika kaže da ne može biti. Da bi lopticu prebacili preko zida, loptica mora imati kinetičku energiju veću ili jednaku gravitacijskoj potencijalnoj energiji loptice koja miruje na vrhu zida. U protivnom slučaju loptica će se odbiti od zida. U svijetu kvantne mehanike situacija je drugačija. U području prostora, gdje je ukupna energija kvantnog objekta manja od potencijalne energije barijere, valna funkcija nije nužno nula, nego trne kroz barijeru.

Ako je barijera dovoljno tanka, imat ćemo značajnu vjerojatnost da kvantni objekt nađemo s druge strane barijere. Da bi stvar bila još nevjerojatnija, svaki student fizike koji poznaje osnove matematičke analize može pokazati da kvantni objekt, za određene energije, prolazi kroz sustav dviju jednostavnih pravokutnih barijera kao da one uopće ne postoje. Kod loptice i zida, koje znamo iz svakodnevnog života, isto postoji vjerojatnost da se loptica nađe na drugoj strani, no veća je vjerojatnost da loptica napiše doktorat iz kvantne mehanike nego da se nađe na drugoj strani zida.

Eksperimentalne potvrde tog fenomena su česte. Alfa-čestice (jezgre helija) koje izbacuju radioaktivne jezgre su jedan primjer. Jezgra nekad izbaci alfa-česticu jer ta čestica 'procuri' kroz nuklearnu barijeru. To se događa sporadično. Ne znamo kada će se pojedina jezgra raspasti, ali matematika nam govori koliko često se to događa. Kada imamo određenu količinu pojedinog izotopa možemo govoriti o vremenima poluraspada.

Ovogodišnja Nobelova nagrada nije iz kvantne mehanike u području visokih energija, baš suprotno. Priča počinje oko apsolutne nule. Kad spustite temperaturu pojedinih metala, izvrsnih vodiča električne struje, dovoljno nisko, vodiči postaju supravodiči. Točnije, počinju voditi električnu struju bez otpora. Priča o električnom otporu koji nastaje kada se elektroni sudaraju s ionskom rešetkom samo je model koji je pogodan u obliku neke grube aproksimacije, poput Bohrovog modela atoma. Pravi opis vodljivosti u metalima traži puno napredniju kvantnu mehaniku.

No za osnovno razumijevanje supravodljivosti dovoljno je znati da se more elektrona dijeli između svih atoma u ionskoj rešetci metala i da su oni fermioni, tj. imaju polucjelobrojni spin. Dakle za njih vrijedi pravilo koje se uči u kemiji, tzv. Paulijev princip isključenja, dva elektrona/fermiona ne mogu se nalaziti u istom energetskom stanju. Na niskim temperaturama ta se situacija drastično mijenja jer do izražaja dolazi izrazito mala privlačna sila koju inducira pozitivno nabijena ionska rešetka te dolazi do formiranja tzv. Cooperovih parova elektrona, koji sad tvore sustav s cjelobrojnim spinom (bozon) i novo kolektivno stanje gdje svi Cooperovi parovi mogu okupirati isto osnovno stanje.

Ključni uvid je da to kolektivno stanje ima jedinstvenu valnu funkciju, matematički opis koji vrijedi za sve elektrone zajedno, a ne za svakog pojedinačno. Ta valna funkcija ima dvije osobine: amplitudu (broj elektrona) i fazu. Spojite dva supravodiča tankim slojem izolatora (debljine samo nekoliko nanometara) i dobijete Josephsonov spoj. Ime je dobio po Brianu Josephsonu koji je u 1960-ima teorijski predvidio i opisao takav spoj. Na svakoj strani te tanke barijere nalazi se supravodljivi sustav s vlastitom fazom. Kad su faze jednake, superstruja ne teče. Ali kad postoji razlika u fazama, Cooperovi parovi počinju 'curiti' kroz barijeru. Količina struje ovisi o veličini te fazne razlike.

Još fenomena

Ali tu se nalazi još jedan fenomen! Ako primijenite električni napon na spoj, onda kroz njega počinje teći izmjenična superstruja čija je frekvencija točno proporcionalna naponu. Josephsonov spoj je, ukratko, jezgra nove tehnologije – to je barijera kroz koju elektroni mogu tunelirati i koju možete kontrolirati i istraživati.

Početkom 1980-ih, Clarke, Devoret i Martinis, tada na Kalifornijskom sveučilištu izgradili su mali supravodljivi krug. Veličinom je bio kao čip od centimetra, nešto što se može držati u ruci, i što se može hladiti kriogenim procesima. Dinamika tog kruga mogla se elegantno prevesti u jezik efektivne čestice zarobljene u potencijalnoj dolini, u jezik kojim fizika opisuje svijet međudjelovanja u atomima i molekulama.

Eksperiment je tekao tako da su postavili sustav da je preko spoja vladao nulti napon. Bez kvantnih efekata, sustav bi ostao u tom stanju zauvijek. Ali mjerenja su pokazala nešto zapanjujuće, potpuno nasumično, s vremena na vrijeme pojavila bi se razlika napona. To je bio potpis makroskopskog tuneliranja, kolektivni kvantni skok kroz barijeru u kojem je određen broj elektrona tunelirao.

Drugi dio eksperimenta bio je direktniji. Upumpavali su fotone raznih frekvencija, tj. pobudili su spoj mikrovalovima i pokazali su da sustav ima diskretne razine energije. Samo određene frekvencije bile su apsorbirane. Sustav je skakao između diskretnih stanja, baš kao atom. Zato možemo koristiti termin 'umjetni atom' za te sustave.

Pokazali su da zakoni kvantne mehanike ne poznaju granicu između 'malog' i 'velikog', zakoni su isti, samo što kod većih sustava dekoherencija (međudjelovanje kvantnog sustava s elektromagnetskim zračenjem i materijom) brže čini štetu. Ključno, pokazali su da takav sustav mogu kontrolirati.

Sustavi s diskretnim energetskim stanjima, stimulirani mikrovalovima, kontrolirani i sjedinjeni u veće cjeline postavili su temelj suvremenih supravodljivih kubita, elemenata koji čine kvantna računala. Najniža razina energije služi kao logička vrijednost 0, prva pobuđena razina kao 1, sprezanja između više kubita daju nove pristupe računanja.

Kvantna mehanika kao praktični alat

John Martinis kasnije je predvodio rad na Googleovim supravodljivim kvantnim procesorima. Put od temeljnog otkrića do suvremenih krugova s 50, 100, pa čak i 1000 kubita slijedi istu logiku – hlađenje na kriogenskim temperaturama (milikelvinima), zaštita od šuma, zaštita od elektromagnetske interferencije, minimizacija termičkog šuma, brzo čitanje bez previše 'rušenja' stanja itd.

Nobelovci nisu samo pokazali da kvantna mehanika funkcionira, pokazali su kako je transformirati u praktični alat. Kad spominjemo makroskopske kvantne učinke, prirodno se pojavi Schrödinger i njegova čuvena mačka u kutiji s radioaktivnim izvorom. Mačka koja je istovremeno živa i mrtva dok ne pogledate u kutiju. Supravodljivi krug nije živ ni mrtav, ali kao jedna efektivna jedinka demonstrira iste obrasce kao što bi demonstrirao pravi atom, za razliku od dramatičnog misaonog eksperimenta s mačkom. 

Kvantna mehanika nije zatvorena u svijet atoma. Uz dovoljno znanja, pažnje i inženjerske domišljatosti, može se prenijeti iz laboratorija u tehnologiju koja lako može postati svakodnevna. Znanost je najmoćnija na mjestu gdje se temeljno znanje susreće s inženjerskom domišljatosti. Ovogodišnja Nobelova nagrada podsjetnik je da iza našeg svakodnevnog svijeta živi drugi svijet, gdje vjerojatnost oblikuje ishod i gdje se neintuitivna pravila mogu iskoristiti za nove tehnologije koje će definirati budućnost.