La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat avui la concessió del Premi Nobel de Física 2025 a John Clarke, Michel E. Devoret i John M. Martinis «per la descoberta de la tunelació de mecànica quàntica macroscòpica i la quantització d'energia en un circuit elèctric». Els tres guardonats es repartiran a parts iguals els 11 milions de corones sueques. Els tres el reben essencialment per un mateix treball en el qual col·laboraren com a doctorand (Martinis), postdoc (Devoret) i cap de grup (Clarke), quan tenien respectivament 27, 32 i 43 anys.
En aquesta imatge de Pasquale Carelli del 15 d’octubre del 2006 veiem el comportament d’una unió túnel superconductora d’òxid de niobi i d’alumini.
John Clarke
John Clarke (*1942) va estudiar a la Perse School. Es graduà en Ciències Naturals en el Christ’s College de Cambridge (1964). En el 1965 ingressà en el nou Darwin College de Cambridge, on fou president de l’associació d’estudiants. Es doctorà en física al Royal Society Mond Laboratory de Cambridge (1968), amb una tesi supervisada per Brian Pippard (1920-2008). El treball doctoral se centrà en el desenvolupament d’un galvanòmetre ondulatori superconductor de baixa inductància (SLUG). Ha fet tota la carrera professional a la University of California, Berkeley, com a professor ajudant (1969), professor associat (1971) i professor titular de física (1973-2010). Actualment és professor emèrit de la Graduate School de la University of California, Berkeley. Alhora ha estat vinculat a Cambridge com a professor visitant.
Michel E. Devoret
Michel E. Devoret (*Paris, 5.3.1953) es va diplomar en enginyeria en la promoció del 1975 de l’École national supérieure des télécommunications. El 1976 obtingué el diploma d’estudis avançats d’òptica quàntica a la Université d’Orsay. Es doctorà amb un tesi sobre les transicions de fase de l’hidrogen i del deuteri sòlids preparada al grup de la física de la matèria condensada Laboratoire CNRS de Photophysique Moléculaire (1982) sota la supervisió de Neil S. Sullivan (*1942). Realitzà una estada postdoctoral a la UC Berkeley (1982-1984) en el laboratori de John Clarke. De retorn a França fundà amb Daniel Esteve (*1954) i Cristian Urbina el grup de Quantronique del CEA-Saclay, dedicat a la física mesoscòpica de circuits elèctrics quàntics. El 1996 va fer una estada al laboratori de Hans Mooij, de Delft. Ha estat professor de física aplicada a la Universitat de Yale (2002-2024), professor de física mesoscòpica al Collège de France (2007-2012), professor de la UC Santa Barbara, director científic de Google Quantum AI Lab.
John M. Martinis
John M. Martinis (*1958) es graduà en física a la University of California, Berkeley (1980). Realitzà la tesi doctoral al laboratori de John Clarke sobre la tunelació quàntica macroscòpica i la quantització a nivell energètic en l’estat de voltatge zero de la unió de Johnson amb biaix de corrent. Realitzà el postdoctorat al Comissariat à l’Energie Atomique de Saclay, i després treballà a la Electromagnetic Technology Division del NIST de Boulder. En el 2004 esdevingué professor de física experimental de la UC Sant Barbara, de la qual n’és emèrit des del 2017. Ha treballat al Google Quantum AI Lab (2014-2020) i al Silicon Quantum Computinng (des del 2020). Actualment és el cap tecnològic de Qolab, companyia que va cofundar en el 2022.
La tunelació quàntica macroscòpica
La física quàntica es fonamenta en l’evidència que els bescanvis d’energia es fan en paquets discrets. Ara bé, aquests paquets són d'escala tan petita que no associem gairebé mai la física quàntica al món macroscòpic, on regnaria la física clàssica. Òbviament, però, la física quàntica té conseqüències macroscòpiques més enllà i tot del gat mental de Schrödinger. La qüestió concreta és fins a quina mida d'un sistema es poden observar diferents fenòmens quàntics. Els experiments de Clarke, Devoret i Martins en xips demostraren que aquesta mida pot arribar a l’ordre de centímetres.
Entre el 1984 i el 1985, Clarke, Devoret i Martinis construïren a la UC Berkeley un circuit elèctric amb dos superconductors. Els superconductors eren separats per una fina capa de material aïllant. El dispositiu permetia controlar el comportament de totes les partícules carregades del superconductor, anàlogament a com ho faria una sola partícula.
Aquest sistema pot arribar a un estat on el corrent elèctric flueix a un voltatge zero. Per tal d’escapar a aquest estat i generar un voltatge elèctric aquest sistema mesoscòpic ha de passar per un efecte túnel quàntic. L’energia del circuit elèctric és quantitzada en el sentit que tan sols pot absorbir o metre energia en paquets específics discrets.
El nom d’efecte túnel fou introduït per George Gamow en el 1928 per explicar la desintegració d’alguns nuclis atòmics pesants: la interacció nuclear forta crea una barrera al voltant del nucli, però aquesta barrera pot presentar eventualment un túnel que permeti l’escapament de partícules.
La interpretació de Copenhague de la física quàntica entén la tunelació com a procés mecànic quàntic amb una probabilitat associada. Aquesta probabilitat se sol determinar a través del comportament macroscòpic, com per exemple a través de la semivida d’un determinat nucli atòmic inestable.
La quantització energètica del circuit elèctric
La física clàssica explica el corrent elèctric per la capacitat dels electrons de moure’s lliurement dins d’un material conductiu. Alguns materials són considerats superconductors perquè els electrons hi poden arribar a fluir sense cap resistència. Leon Cooper, John Bardeen i Robert Schrieffer descrigueren el funcionament dels superconductors, amb el concepte cabdal de ‘parell de Cooper’ per referir-se a l’aparellament d’electrons.
Els parells de Cooper tenen un comportament ben diferent dels electrons ordinaris. Els electrons ordinaris són marcats pel principi d’exclusió, com es manifesta en el comportament de l’escorça electrònica dels àtoms. El parell de Cooper, en canvi, funciona com una sola unitat, un únic sistema de mecànica quàntica, de forma que se’ls pot descriure a través d’una sola funció d’ona.
En el 1962 Brian Josephson calculà la mecànica quàntica de dos superconductors units per una fina barrera aïllant. Per això aquest sistema rep el nom d’unió de Josephson.
La unió de Josephson fou la base del treball de Clarke, Devoret i Martinis per tal de demostrar una tunelació quàntica macroscòpica. Un dels reptes era controlar qualsevol element que hi pogués interferir. Així incorporaren filtres de microones de pols de coure. Sota un corrent feble, el voltatge d’un circuit que passa per una unió de Josephson depèn de la resistència elèctrica. El valor inicial de voltatge ha d’ésser zero d’acord amb la funció d’ona dels dos superconductors. L’efecte túnel es manifestaria com l’escapament d’aquest estat i l’establiment d’un cert voltatge en el circuit. La repetició dels experiments els permeté calcular la durada mitjana de l’estat de voltatge zero (Devoret et al., 1984).
El comportament quàntic de la unió de Josephson és independent d’escala, perquè els parells de Cooper es comporten com una sola partícula gegant. Quan el circuit era exposat a microones de diferent freqüència, la durada mitjana del voltatge zero canviava.
En les dècades anteriors hom havia constatat fenòmens quàntics en sistemes macroscòpics com ara làsers, superconductors i superfluids, derivats dels seus components microscòpics. En el treball de Clarke, Devoret i Martinis l’efecte quàntic macroscòpic sobre el voltatge resulta d’un estat macroscòpic (Martinis et al., 1985; Devoret et al., 1985).
Martinis utilitzà aquest fenomen macroscòpic quàntic per assolir un sistema computacional quàntic. Un circuit elèctric amb estats quantitzats pot emmagatzemar informació en bits quàntics (Bouchiat et al., 1998). Martinis et al. (2002) dissenyaren i operaren un circuit basat en una unió de Josephson de manera que els dos nivells quàntics d’energia més baixos implementaven un qubit en estat sòlid. Koch et al. (2007) desenvoluparen un tipus de qubit superconductor, transmon, alternatiu al qubit de càrrega.
Els circuits quàntics superconductors també tenen un potencial com a controladors quàntics de sistemes mecànics (O’Connell et al., 2010).
Lligams:
- Comunicat de premsa de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències.
- Resonant Activation from the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction. Michel H. Devoret, John M. Martinis, Daniel Esteve, and John Clarke. Phys. Rev. Lett. 53: 1260 (1984).
- Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction. John M. Martinis, Michel H. Devoret, and John Clarke. Phys. Rev. Lett. 55: 1543 (1985).
- Measurements of Macroscopic Quantum Tunneling out of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction. Michel H. Devoret*, John M. Martinis, and John Clarke. Phys. Rev. Lett. 55: 1908 (1985).
- Macroscopic quantum tunneling and energy-level quantization in the zero voltage state of the current-biased Josephson junction. J. M. Martinis (1985).
- Quantum coherence with a single Cooper pair. V Bouchiat, D Vion, P Joyez, D Esteve and M H Devoret. Physica Scripta 1998 165 (1998).
- Rabi Oscillations in a Large Josephson-Junction Qubit. John M. Martinis, S. Nam, and J. Aumentado, C. Urbina. Phys. Rev. Lett. 89: 117901 (2002).
- Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box. Jens Koch, Terri M. Yu, Jay Gambetta, A. A. Houck, D. I. Schuster, J. Majer, Alexandre Blais, M. H. Devoret, S. M. Girvin, R. J. Schoelkopf. Phys. Rev. A. 76: 042319 (2007).
- Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. A. D. O’Connell, M. Hofheinz, M. Ansmann, Radoslaw C. Bialczak, M. Lenander, Erik Lucero, M. Neeley, D. Sank, H. Wang, M. Weides, J. Wenner, John M. Martinis & A. N. Cleland. Nature 464: 697-703 (2010).
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada