تجارب نفق الكم الرائدة تفوز بجائزة نوبل في الفيزياء

حصل ثلاثة فيزيائيين على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2025 لأبحاثهم فيزياء الكم على المستوى العياني.

البحوث، بما في ذلك في الظواهر الغريبة لنفق الكم والتراكب الكمي، ساعد في دعم بعض أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكثر تقدمًا اليوم.

جون كلارك في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، وميشيل ديفوريت في جامعة ييل في نيو هيفن، كونيتيكت، وجامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا (UCSB)، و جون مارتينيسستتقاسم شركة USCB أيضًا الجائزة البالغة قيمتها 11 مليون كرونة سويدية (1.2 مليون دولار أمريكي)، التي أعلنت عنها الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم في ستوكهولم في 7 أكتوبر.

وقال كلارك في حديثه للصحفيين الذين تجمعوا للإعلان عن الجائزة: “أنا مندهش تمامًا؛ لم يخطر ببالي مطلقًا بأي شكل من الأشكال أن هذا قد يكون الأساس لجائزة نوبل”. وقال: “أعتقد أن اكتشافنا هو في بعض النواحي أساس الحوسبة الكمومية”، مضيفًا أنه على الرغم من أنه قاد عمل الثلاثي في ​​الثمانينيات، إلا أن مساهمات الاثنين الآخرين كانت “ساحقة”.

قال مارتينيزطبيعةأن زوجته تلقت الخبر في منتصف الليل – بتوقيت كاليفورنيا – لكنها قررت عدم إيقاظه بعد. “استيقظت قليلاً قبل الساعة السادسة. ثم فتحت جهاز الكمبيوتر ال بي و ت جون وميشيل و ي.”

قال أولي إريكسون، عالم الفيزياء في جامعة أوبسالا في السويد ورئيس لجنة جائزة نوبل للفيزياء: “إنه لأمر رائع أن نكون قادرين على الاحتفال بالطريقة التي تقدم بها ميكانيكا الكم منذ قرن من الزمان مفاجآت جديدة باستمرار. كما أنها مفيدة للغاية، حيث أن ميكانيكا الكم هي أساس كل التكنولوجيا الرقمية”.

ميكانيكا الكم العيانية

تم وضع أسس ميكانيكا الكم منذ 100 عام. لكن العديد من آثارها الغريبة استغرقت عقودًا حتى تتفكك.

إحداها هي ظاهرة نفق الكم — قدرة الجسيمات على المرور مباشرة عبر حاجز لا ينبغي أن يكون ممكنًا وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، نظرًا لطاقتها. يفسر النفق التحلل الإشعاعي، حيث على الرغم من كونه مح ًا داخل الذرة، لا يزال لدى جسيم ألفا احتمال ضئيل للهروب من النواة. والطريقة الأخرى هي التراكب الكمي، حيث يمكن أن يوجد الجسم في حالتين في وقت واحد.

كان كل من النفق والتراكب معروفين على المستوى الذري ولكن لم يتم ملاحظتهما في الأنظمة العيانية. في أواخر السبعينيات، أنتوني ليجيت، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2003 لعمله النظري على الموصلات الفائقةتساءل عما إذا كان من الممكن ملاحظة هذه الظاهرة على المستوى العياني باستخدام دوائر فائقة التوصيل – حلقات من الأسلاك يمكنها، عند تبريدها إلى جزء من درجة فوق الصفر المطلق، توصيل الكهرباء دون مقاومة¹.

يتذكر مارتينيس: “لقد أخذنا السؤال على محمل الجد: هل ستخضع هذه الأنظمة الكبيرة لميكانيكا الكم؟ وفكرنا بعناية شديدة في كيفية إثبات ذلك”. في الثمانينيات، كان كلارك وديفوريت ومارتينيس، الذين يعملون في بيركلي، من بين أولئك الذين استكشفوا التأثيرات الكمومية في الحلقات فائقة التوصيل². أجرى الثلاثي تجربة تم فيها فصل اثنين من الموصلات الفائقة بواسطة حاجز رقيق يعرف باسم تقاطع جوزيفسون³.

في هذه الحالة، يمكن للتيار الفائق أن يتدفق بمقاومة صفر، مثل النهر الذي يجري دون احتكاك، ولكن أيضًا بجهد صفري، أي دون تدرج منحدر يعطي التيار دفعة. في الفيزياء الكلاسيكية، سيظل النظام عالقًا على هذا النحو، ما لم يتم إعطاؤه طاقة كافية للهروب.

من خلال مراقبة النظام بعناية، وزيادة التيار ببطء، أظهر كلارك وديفوريت ومارتينيس أن الدائرة الصغيرة بأكملها يمكن أن تندلع إلى حالة طاقة أعلى – عن طريق النفق الكمي، والذي لاحظوه عن طريق قياس ارتفاع الجهد. يقول ياسونوبو ناكامورا، عالم الفيزياء بجامعة طوكيو، إنه لا يزال من المفاجئ للكثيرين أن ميكانيكا الكم يمكن أن تظهر نفسها على مثل هذه المقاييس الكبيرة.

يقول ناكامورا، الذي أصبح في أواخر التسعينات أول فيزيائي يبرهن على وجود كيوبت فائقة التوصيل bit أو “qubit” باستخدام مبدأ مماثل.