Nobel z fizyki przyznany. "Nagroda jak najbardziej zasłużona"

Mija drugi dzień Tygodnia Noblowskiego, w którym poznajemy laureatów najważniejszego wyróżnienia dla świata nauki, literatury, ekonomii i dążenia do pokoju na świecie. Pierwszych nagrodzonych poznaliśmy już w poniedziałek 7 października, kiedy komitet ogłosił Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. W tym roku otrzymała go trójka badaczy - dwójka Amerykanów oraz Japończyk. Mary E. Brunkow, Fred Ramsdell i Shimon Sakaguchi otrzymali wyróżnienie "za fundamentalne odkrycia dotyczące obwodowej tolerancji immunologicznej". Jak podano w uzasadnieniu, badacze zidentyfikowali "strażników" układu odpornościowego (limfocyty T regulatorowe) kładąc tym samym fundamenty pod nową dziedzinę badań.

Wśród przyznawanych nagród tradycyjnie jedna przypada za najważniejsze odkrycia na polu fizyki. W ubiegłym roku otrzymało go dwóch naukowców: John J. Hopfield i Geoffrey E. Hinton "za fundamentalne odkrycia i wynalazki, które umożliwiają uczenie maszynowe za pomocą sztucznych sieci neuronowych". Było to sporym zaskoczeniem dla wielu (zwłaszcza bardziej konserwatywnych) fizyków, ponieważ, najprostszymi słowami ujmując - Nagrodę Nobla z fizyki przyznano za osiągnięcia na polu... informatyki.

Bez związku z fizyką? Otóż nie do końca. Wykorzystali oni narzędzia z zakresu fizyki do skonstruowania metod, które pomogły położyć podwaliny pod dzisiejsze potężne uczenie maszynowe. Hopfield stworzył strukturę, która może przechowywać i rekonstruować informacje. Hinton wynalazł metodę, która może niezależnie odkrywać właściwości w danych i która stała się ważna dla dużych sztucznych sieci neuronowych, które są obecnie w użyciu.

Zwykle jeszcze przed rozdaniem nagród w sieci pojawiają się spekulacje co do potencjalnych kandydatów. Tym roku w sieci jedną z proponowanych dziedzin jest prężnie rozwijająca się informatyka kwantowa. Czy to możliwe, aby dwa razy lata pod rząd przyznano takie nagrody?

Być może nie wiedzieliście, ale Alfred Nobel przeznaczył swój majątek na finansowanie corocznych nagród "tym, którzy w poprzednim roku przynieśli ludzkości największe korzyści". Nagroda Nobla z fizyki miała być przyznawana "osobie, która dokonała najważniejszego odkrycia lub wynalazku w dziedzinie fizyki". Nobel nie kładł nacisku na odkrycia, ale przez komitet były one traktowane z większym szacunkiem niż wynalazki. Aż w 77 proc. wyróżniono odkrycia, a tylko w 23 proc. wynalazki, co według części środowiska naukowego (m.in. Christopha Bartnecka i Matthiasa Rauterberga) odsunęło ją od pierwotnego zamierzenia, jakim było nagradzanie największego wkładu w społeczeństwo. Patrząc z tej strony - nagroda z informatyki kwantowej wcale nie powinna nas dziwić.

W tym roku w centrum uwagi znaleźli się m.in.: Peter Shor (MIT, USA), David Deutsch (Uniwersytet Oksfordzki, Wielka Brytania), David DiVincenzo (Uniwersytet RWTH w Aachen, Niemcy) i Daniel Loss (Uniwersytet w Bazylei, Szwajcaria) - wszyscy zajmujący się wspomnianą wyżej dziedziną.

Z bardziej klasycznych dziedzin fizyki mówi się o docenieniu Yakira Aharonova (Uniwersytet Chapman, USA), Sir Michaela Berry'ego (Uniwersytet w Bristolu, Wielka Brytania) za odkrycia w dziedzinie mechaniki kwantowej.

Dalej mówiło się również o takich nazwiskach jak Pablo Jarillo-Herrero (MIT, USA), John Pendry (Imperial College London, Wielka Brytania) i Eli Yablonovitch (UC Berkeley, USA), Lene Hau (Uniwersytet Harvarda, USA), Ingrid Daubechies (Duke University, USA), Stéphane Mallat (Collège de France, Francja) i Yves Meyer (École Normale Supérieure, Francja).

Co jest niemal pewne? To, że od 1993 r. wśród nagradzanych mamy duety i tria, a ponad 90 proc. laureatów pochodziło z Europy lub USA, ale zaledwie 2 proc. docenionych stanowią kobiety. A więc cóż... statystycznie na tegorocznego Nobla szanse ma grupa 2-3 panów z USA i/lub Europy.

Warto też zauważyć, że typowanie fizyki i informatyki kwantowej ma jeszcze jedną podstawę - ONZ ogłosiło bowiem rok 2025 właśnie Międzynarodowym Rokiem Nauki Kwantowej, a to z okazji setnej rocznicy powstania mechaniki kwantowej.

Dr. hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański z Wydziału fizyki Uniwersytetu Warszawskiego z kolei przed ogłoszeniem wyników stawiał na optykę kwantową, dr Grzegorz Łach chętnie widziałby odkrycia na polu fizyki matematycznej, czyli wykorzystaniu matematyki w badaniach fizycznych. Natomiast dr hab. Maciej Malas jako fizyk doświadczalny, doceniłby odkrycia z zakresu laserów lub metamatieriałów.

Królewska Szwedzka Akademia Nauk postanowiła przyznać Nagrodę Nobla w 2025 roku w dziedzinie fizyki za rok 2025 Johnowi Clarke'owi (University of California, Berkeley, CA, USA), Michelowi H. Devoretowi (Yale University, New Haven, CT, USA; University of California, Santa Barbara, CA, USA) i Johnowi M. Martinisowi (Google, University of California, Santa Barbara, CA, USA) "za odkrycie makroskopowego tunelowania mechaniki kwantowej i kwantyzacji energii w obwodzie elektrycznym". A więc jednak... mamy to! Nobel poszedł jednak do fizyki kwantowej.

Laureaci wykorzystali serię eksperymentów, aby wykazać, że osobliwe właściwości świata kwantowego można urzeczywistnić w układzie na tyle dużym, że można go trzymać w dłoni. Ich nadprzewodzący układ elektryczny mógł tunelować z jednego stanu do drugiego, tak jakby przechodził prosto przez ścianę. Wykazali również, że układ absorbował i emitował energię w dawkach o określonych rozmiarach, zgodnie z przewidywaniami mechaniki kwantowej.

Jednym z najważniejszych pytań fizyki jest maksymalna wielkość układu, w którym można zaobserwować efekty mechaniki kwantowej. Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla przeprowadzili eksperymenty z obwodem elektrycznym, w których zademonstrowali zarówno tunelowanie kwantowe, jak i skwantyzowane poziomy energii w układzie na tyle dużym, że można go było trzymać w dłoni.

Jak przekazała Królewska Szwedzka Akademia Nauk tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki stworzyła możliwości rozwoju nowej generacji technologii kwantowej, w tym kryptografii kwantowej, komputerów kwantowych i czujników kwantowych.

Fizyka kwantowa jest dziedziną niezwykle pasjonującą, ale niekiedy zrozumienie jej szczegółów może być dość skomplikowane dla tych z nas, którzy nie mają z tą nauką styczności na co dzień.

Postanowiłem więc porozmawiać z dr. hab. Rafałem Demkowiczem-Dobrzańskim, fizykiem teoretycznym z Uniwersytetu Warszawskiego, który już kilkukrotnie komentował dla Geeweeka przyznanie tej prestiżowej nagrody.

Karol Kubak, Geekweek: Panie profesorze, w sieci, przed ogłoszeniem Nagrody Nobla typowano informatykę kwantową i fizykę kwantową jako te dziedziny, z których może zostać przyznana Nagroda Nobla. ONZ ogłosiło rok 2025 właśnie Międzynarodowym Rokiem Nauki Kwantowej. A więc ta fizyka kwantowa cały czas gdzieś wokół nas krążyła. Czy tegoroczna Nagroda Nobla jest dużym zaskoczeniem, czy raczej czymś, czego w środowisku fizyki się spodziewano?

Dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański: - Spodziewano się, że może być to nagroda związana z fizyką kwantową, z uwagi na stulecie powstania teorii kwantowej, za sprawą pras Schrödingera, Heisenberga i innych. Natomiast to, że dokładnie takie osiągnięcie zostanie uhonorowane, przyznam szczerze, nie było takich konkretnych przewidywań. Więc w tym sensie jest to lekkie zaskoczenie, natomiast na pewno nagroda jest jak najbardziej zasłużona. I ma zarówno swój element praktyczny, inżynieryjny jak i naukowy.

Osobiście nie spodziewałem się Nagrody Nobla za komputer kwantowy, czy obliczenia kwantowe, głównie z tego powodu, że ta dziedzina wciąż jeszcze nie pokazała niczego, co by naprawdę było przydatne. Więc z pewnością komitet noblowski dobrze zrobił, że nie dał nagrody za tworzenie komputera kwantowego. To by było zdecydowanie przedwczesne. Tutaj jest pewien kompromis - nagradza coś, co działa, z pewnym sygnałem na przyszłość.

Geekweek: Czego tak ważnego (prostymi słowami) dokonali panowie Clarke, Devoret i Martinis, że zasłużyli na najbardziej prestiżową nagrodę w świecie nauki?

Dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański: Mechanika kwantowa mało przejawia się w życiu codziennym, w skali makro, w jakiej funkcjonujemy. Zazwyczaj mówi nam ona o zachowaniu pojedynczych atmomów, świata w skali mikro, gdzie efekty kwantowe są wyraźne. Ale słabną, kiedy przechodzimy do większych obiektów. Już na poziomie wirusów, najprostrzych biologiczych układów, te efekty kwantowe są bardzo słabe i można opisywać je używając pojęć klasycznych.

Tegoroczna nagroda jest o tyle wyjątkowa, że mówi o zjawiskach, które przenoszą swoją kwantową naturę na poziom namacalny przez człowieka. Wciąż mówimy o rzeczach małych. To są układy elektroniczne, które są niewielkie, ale jednak bardzo duże w porównaniu z pojedynczymi atomami. Dlatego jest to tak wyjątowe z punktu widzenia naukowego; ponieważ bardzo trudno jest efekty kwantowe utrzymać na wyższym poziomie, a osiągnięcia tych trzech laureatów doprowadziły do czegoś, co możemy nazwać dziedziną elektroniki kwantowej. Czyli takiej dziedziny, w której budujemy układy elektroniczne, ale w taki sposób, żeby wykorzystywać efekty kwantowe.

Geekweek: Jakie praktyczne zastosowanie mają docenione przez Królewską Szwedzką Akademię Nauki w tym roku badania?

Dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański: - Podstawowym efektem wykorzystywanym w układach elektronicznych jest to, że prąd może znajdować się w tzw. stanie nadprzewodnictwa. Nadprzewodnictwo to jest taki przepływ prądu, gdzie nie ma żadnego oporu elektrycznego. Czyli w praktyce, jeżeli mamy nadprzewodnik i przyłożymy do niego baterię, żeby wzbudzić w nim prąd, to po jej odczepieniu prąd dalej będzie w tym obwodzie płynął, mimo że nie ma żadnego zasilania. Elektrony mogą płynąć w nadprzewodniku bez żadnych strat.

To jest efekt kwantowy, czegoś takiego nie mielibyśmy, gdyby świat był klasyczny. Atomy są kwantowo chronione przed atomami metalu, które normalnie by je hamowały. Jeśli je schłodzimy do odpowiednio niskiej temperatury będą płynąć bez końca i tworzyć stan nadprzewodzący. Kiedy mamy już stan nadprzewodzący, to możemy budować z takich nadprzewodników obwody elektryczne - i to jest już wykorzystanie efektu kwantowego na poziomie dla nas dostępnym.

W obwodach, którymi zajmowali się nobliści były tworzone przerwy, czyli, obrazowo mówiąc, przecinało się ten drucik, pętelkę. Klasycznie prąd przedstałby płynąć. Natomiast kwantowo istnieje tak zwany efekt tunelowania, w którym jest możliwość w pewnym sensie przechodzenia przez ściany. Nawet jeśli mamy barierę, której normalnie nie da się pokonać, to przez to, że układ znajduje się w stanie kwantowym, jest prawdopodobieństwo, że można przejść przez tę barierę.

Te obwody dają możliwość wykorzystania bardzo subtelnych efektów kwantowych i tworzenia prądu o kwantowej naturze. Możne to oznaczać np. że w takiej pętelce prąd płynie jednocześnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Czyli układ fizyczny znajduje się w stanie, który klasycznie byśmy wykluczali. Może być jedno albo drugie - a kwantowo może być jedno i drugie. To powoduje, że takie układy dają nam zupełnie nowe narzędzia, które możemy używać jako bardzo czułe sensory pól magnetycznych aż do komputerów kwantowych, które próbujemy budować.

Układy kwantowe są kluczowe m.in. w medycynie, przy monitorowaniu aktywnościu mózgu, ale nawet w tak bardzo podstawowych rzeczach w fizyce jak dokładne pomiary, w szczególności stałych fizycznych, jak choćby kilograma. Jeszcze kilka lat temu kilogram był zdefiniowany według bardzo zstaroświecki wzorzec, czyli odważnik, którzy jest zamknięty pod kloszem. Dopiero 5 lat temu fizycy stworzyli metodę wyznaczania masy, która byłaby dokładniejsza, niż ten odważnik. I ta metoda bazuje również na wykorzystaniu układów, gdzie mamy kwantowe obwody elektroniczne, które wykorzystują efekty kwantowe przepływu prądu.

Geekweek: Alfred Nobel przeznaczył fundusze na nagrody dla tych, którzy "w poprzednim roku przynieśli ludzkości największe korzyści". Czy obecna Nagroda Nobla wpisuje się w tę pierwotną ideę?

Dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański: - Trzeba byłoby tylko nieco zmienić to sformułowanie - w poprzednich latach, a nie w poprzednim roku, ale tak, można powiedzieć, że te zastosowania (zwłaszcza czujniki) są pożytkiem dla ludzkości - dodaje z uśmiechem fizyk.

Koniecznie bądźcie z Geekweekiem jutro (środa, 8 października), kiedy poznamy laureatów Nagrody Nobla z chemii w 2025 roku.