Noblowskie odkrycia, które utorowały drogę komputerom kwantowym

Trzej pionierzy uhonorowani za wykazanie efektów kwantowych na chipie

7 października 2025 roku Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki Johnowi Clarke’owi, Michelowi H. Devoretowi i Johnowi M. Martinisowi za eksperymenty, które przeniosły mechanikę kwantową ze świata atomowego do makroskopowych obwodów elektrycznych — przełom, który stanowi fundament dzisiejszych kubitów nadprzewodzących i znacznej części nowoczesnego przemysłu obliczeń kwantowych. (nobelprize.org)

Dlaczego ta nagroda ma znaczenie

Mechanika kwantowa słynie z tego, że rządzi atomami, elektronami i fotonami. Przez dziesięciolecia otwartym pytaniem pozostawało to, jak duży może być układ, by nadal wykazywać prawdziwie kwantowe zachowanie, takie jak tunelowanie między klasycznie zabronionymi stanami czy posiadanie dyskretnych, skwantowanych poziomów energii. Komitet Noblowski docenił serię eksperymentów z lat 80. XX wieku, które zademonstrowały te efekty w obwodzie elektrycznym wystarczająco dużym, by trzymać go w dłoni — co było decydującym krokiem w kierunku uczynienia zjawisk kwantowych użytecznymi w konstruowanych urządzeniach. (nobelprize.org)

Co dokładnie zrobili laureaci

Trio przeprowadziło pomiary na obwodach zbudowanych wokół złącza Josephsona, cienkiej warstwy izolacyjnej umieszczonej między nadprzewodnikami. Po schłodzeniu do temperatur milikelwinowych urządzenia te wykazują zbiorowe stopnie swobody — w istocie zmienne obwodu — które zachowują się jak cząstki kwantowe. Eksperymenty wykazały, że obwód może tunelować ze stanu zerowego napięcia do stanu o skończonym napięciu oraz że te same urządzenia pochłaniają mikrofale tylko przy dyskretnych energiach, co ujawniło skwantowane poziomy. Obserwacje te dowiodły, że makroskopowe obwody elektryczne mogą podlegać tym samym regułom kwantowym, o których niegdyś myślano, że są ograniczone wyłącznie do atomów. (sciencenews.org)

Od laboratoryjnej ciekawostki do kubitów

To przejście od demonstracji do zastosowania czyni te prace tak doniosłymi. Ta sama fizyka, którą wykorzystano w eksperymentach ze złączem Josephsona, stanowi podstawę kubitów nadprzewodzących, maleńkich kwantowych bitów opartych na obwodach, używanych przez wiele grup badawczych i firm. Kubity nadprzewodzące kodują informacje kwantowe w zbiorowych zmiennych elektrycznych obwodu; opierają się na zdolności do tworzenia i kontrolowania dyskretnych poziomów energii oraz zachowywania spójnych superpozycji wystarczająco długo, by przeprowadzić obliczenia. Krótko mówiąc, laureaci przekształcili koncepcyjną możliwość w praktyczne zasady budowy sprzętu. (nobelprize.org)

Ścieżki przez dziesięciolecia

Po początkowych obserwacjach dziedzina ewoluowała poprzez systematyczne ulepszenia: lepsze materiały, udoskonaloną produkcję i pomysłowe projekty obwodów, które wydłużyły czasy koherencji i umożliwiły działanie bramek dwukubitowych. John Martinis pozostał centralną postacią w praktycznym rozwoju nadprzewodzących procesorów kwantowych, prowadząc później głośny projekt mający na celu zademonstrowanie „przewagi kwantowej” — momentu, w którym urządzenie kwantowe wykonuje zadanie nieosiągalne dla klasycznych superkomputerów. Michel Devoret kontynuował przesuwanie granicy między eksperymentami fundamentalnymi a inżynieryjnym sprzętem kwantowym, przyczyniając się do rozwoju technik kontroli i pomiaru obwodów nadprzewodzących. Wczesne precyzyjne eksperymenty Johna Clarke’a i rozwój detektorów również wpłynęły na trajektorię tej dziedziny. Wspólnie ich wkład obejmuje obszar od fizyki fundamentalnej po technologie będące obecnie w fazie komercyjnego rozwoju. (sciencenews.org)

Na jakim etapie są dziś obliczenia kwantowe

Kubity nadprzewodzące są jednym z kilku wiodących podejść sprzętowych. Zademonstrowano na nich coraz bardziej złożone algorytmy, splątanie obejmujące dziesiątki kubitów oraz celowe demonstracje zadań obliczeniowych trudnych dla maszyn klasycznych. Jednak nadal pozostają istotne przeszkody: dzisiejsze urządzenia są szumne, liczba kubitów musi wzrosnąć o rzędy wielkości, a korekcja błędów będzie niezbędna do niezawodnego działania wielu użytecznych aplikacji. Odkrycia uhonorowane Noblem ustanowiły paradygmat sprzętowy, ale skalowanie tego sprzętu do odpornych na błędy, ogólnego przeznaczenia komputerów kwantowych jest wyzwaniem inżynieryjnym i naukowym, które wciąż trwa. (theguardian.com)

Szerszy wpływ: czujniki, kryptografia i nie tylko

Poza obliczeniami techniki zrodzone z tych eksperymentów umożliwiły powstanie ultra-czułych detektorów i czujników — na przykład urządzeń nadprzewodzących wykrywających niezwykle słabe pola magnetyczne, mających zastosowanie od fizyki fundamentalnej po obrazowanie medyczne. Rozwój procesorów kwantowych zwrócił również uwagę na cyberbezpieczeństwo: potężne maszyny kwantowe mogą pewnego dnia zagrozić konwencjonalnemu szyfrowaniu z kluczem publicznym, co przyspiesza globalne prace nad kryptografią odporną na komputery kwantowe. W uzasadnieniu Nagrody Nobla wyraźnie zaznaczono, że odkrycia laureatów otworzyły możliwości dla kwantowej kryptografii, czujników i obliczeń. (nobelprize.org)

Co nagroda mówi o tej dziedzinie

Nagroda Nobla jest wyrazem uznania nie tylko dla odkrycia, ale także dla jego długofalowego znaczenia. Przyznanie nagrody za makroskopowe tunelowanie kwantowe potwierdza, że przejście od fundamentalnej ciekawości do platformy technologicznej — owocujące w laboratoriach i start-upach na całym świecie — jest jednym z definiujących osiągnięć naukowych końca XX i początku XXI wieku. Decyzja ta podkreśla również, jak postępy w kontroli eksperymentalnej i inżynierii kriogenicznej zmieniły to, co jest możliwe w nauce kwantowej. (nobelprize.org)

Pozostałe pytania i droga przed nami

Nawet z uznaniem Noblowskim dziedzina ta jest daleka od dojrzałości. Kluczowe obszary badań obejmują poprawę czasów koherencji, opracowanie skalowalnych i wydajnych schematów korekcji błędów, udoskonalenie materiałów i procesów produkcji w celu redukcji strat i szumów, a także znalezienie „przełomowych zastosowań”, w których procesory kwantowe przewyższą klasyczne alternatywy w sposób istotny ekonomicznie. Postęp przyspiesza, ale przełożenie fizyki złącza Josephsona na powszechne, odporne na błędy obliczenia kwantowe będzie wymagało trwałego wysiłku środowisk akademickich, przemysłu i laboratoriów państwowych.

Przemyślenia końcowe

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2025 roku celebruje zestaw eksperymentów, które zmieniły postrzeganie mechaniki kwantowej z abstrakcyjnej teorii o świecie mikroskopowym w platformę technologiczną, którą można projektować, skalować i komercjalizować. Ta zmiana — wykazanie tunelowania kwantowego i skwantowanej energii w obwodach, które można trzymać w dłoni — jest jednym z kamieni milowych współczesnego ekosystemu kwantowego. W miarę jak naukowcy mierzą się z kolejnymi problemami inżynieryjnymi, praca laureatów pozostanie fundamentem historii o tym, jak fizyka kwantowa przeszła od eksperymentu myślowego do gotowego urządzenia.