El Nobel de física premia els investigadors que van descobrir "la mecànica quàntica en acció" dins d'un xip
Els investigadors John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis van identificar "l'efecte túnel mecànic quàntic macroscòpic"
No podia ser l’any de la quàntica sense que el premi Nobel de física anés també destinat al progrés realitzat en aquest camp de la física durant els darrers cent anys. D’aquesta manera, l’Acadèmia Sueca de les Ciències ha concedit el guardó a John Clarke, Michel H. Devoret i John M. Martinis, de la Universitat de Califòrnia, pel descobriment de l’efecte de túnel quàntic macroscòpic i la quantització de l’energia en un circuit elèctric. “És fantàstic poder celebrar que la mecànica quàntica ha donat moltes sorpreses durant els seus cent anys de vida i és la base de la nostra tecnologia”, ha destacat Olle Eriksson, membre del Comitè del Premi Nobel de Física.
La qüestió que els científics van estudiar l’any 1985 era fins a quina grandària els fenòmens quàntics continuen estant presents. Els estudis realitzats pels científics de la Universitat de Califòrnia van ser claus per establir les bases de l’electrònica que avui es troba present en telèfons mòbils i ordinadors. D’altra banda, també han donat lloc a avenços que avui en dia són fonamentals en el desenvolupament dels ordinadors quàntics. "No vam imaginar mai les implicacions que tindrien les nostres investigacions", ha declarat Clarke després de conèixer el premi. Els seus experiments van revelar "la mecànica quàntica en acció", és a dir, van demostrar que les propietats de la mecànica quàntica es poden concretar a escala macroscòpica.
Travessar murs infranquejables
Fa gairebé cent anys, el físic austríac Erwin Schrödinger va desenvolupar les bases de la mecànica quàntica, la teoria que explica el funcionament del món microscòpic. Segons aquesta teoria, les partícules subatòmiques podrien travessar barreres que segons la teoria clàssica serien impossibles de travessar. Podem imaginar una nena xutant una pilota contra una paret massissa. En un d’aquells xuts contra el mur la pilota no rebota i acaba a l’altra banda sense deixar cap rastre. Aquest és un fenomen que, tot i no tenir sentit en el món clàssic al qual estem acostumats, en el món microscòpic és d’allò més habitual.
No obstant això, a mesura que el nombre de partícules involucrades augmenta, els efectes quàntics com aquest esdevenen insignificants. La transició entre el món quàntic i l’escala macroscòpica ha estat, des de la seva fundació, una de les qüestions fonamentals de la mecànica quàntica. Els experiments duts a terme pels guardonats amb el Nobel van demostrar que aquests efectes quàntics no només es poden arribar a observar a escales macroscòpiques sinó que poden tenir un gran ventall d’aplicacions.
Partícules perfectament orquestrades dins d’un xip
En un conductor ordinari, el corrent circula perquè hi ha un voltatge i electrons que circulen lliurement pel material. En alguns materials especials els electrons individuals s’organitzen de dos en dos, en els coneguts com a parells de Cooper. En aquest estat, les partícules es mouen pel material sense resistència elèctrica de forma sincronitzada. Aquest estat quàntic en què es troba el material es coneix com a superconductor.
Entre els anys 1984 i 1985, Clarke, Devoret i Martinis, van conduir una sèrie d’experiments amb un xip compost, precisament, per superconductors. En aquest circuit elèctric, els conductors es trobaven separats per una fina capa de material aïllant anomenat unió de Josephson. Quan van mesurar les propietats d’aquest circuit es van adonar que podien explorar de forma controlada els fenòmens quàntics quan hi feien passar corrent. Els tres investigadors van observar que les partícules carregades es movien a través del superconductor com si fossin una única partícula ocupant la totalitat del circuit. Aquesta macropartícula es troba en un estat en què el corrent elèctric flueix sense la necessitat d’aplicar cap voltatge. Els experiments van demostrar la natura quàntica d’aquest macroestat en veure que era capaç de transitar cap a un altre estat a través d’un túnel quàntic. "Vam estar més d’un any treballant en aquest experiment. La col·laboració amb Devoret i Martinis va ser essencial", ha explicat Clarke, que va ser el líder de l’experiment.
La base de la tecnologia actual
Els transistors que componen els microxips dels nostres ordinadors o telèfons mòbils són els exemples més notables on la mecànica quàntica ha demostrat jugar un paper important en el nostre dia a dia. Els desenvolupaments derivats de les investigacions de Clarke, Devoret i Martinis han obert la porta la nova generació de tecnologies quàntiques, entre les quals hi ha la criptografia quàntica, i els ordinadors i sensors quàntics. Actualment, Catalunya és un pol punter en el desenvolupament d’aquesta nova generació tecnològica, coneguda com a segona revolució quàntica, amb les investigacions dutes a terme a l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) i amb empreses emergents com LuxQuanta o Qilimanjaro.
L'experta en computació quàntica al Barcelona Supercomputing Center i coordinadora de Quantum Spain, Alba Cervera, ha destacat que el guardó segueix la línia del Nobel de física del 2022, en què es va premiar els pioners de la informació quàntica Alain Aspect, John Clauser i Anton Zeilinger. "En aquest cas, es premia el desenvolupament de la física necessària per poder explotar la informació quàntica per fabricar tecnologia. Molts ordinadors quàntics actuals estan fabricats amb cúbits superconductors, és a dir, utilitzant els principis que els guardonats d'aquest any van desenvolupar", ha detallat Cervera en declaracions a Science Media Centre.
