2025 Nobel Fizik Ödülü, makroskobik kuantum tünelleme ve bir elektrik devresindeki enerji kuantalamasının keşfi nedeniyle John Clarke, Michel H. Devoret ve John M. Martinis'e layık görüldü. Nobel Komitesi tarafından yapılan açıklamada, ödül alan bilim insanlarının çalışmalarının kuantum kriptografi, kuantum bilgisayarlar ve kuantum sensörleri gibi yeni nesil kuantum teknolojilerinin geliştirilmesi için fırsatlar sunduğu belirtildi. Üç bilim insanı, 1.1 milyon dolarlık (11 milyon İsveç kronu) ödülü paylaşacak. Ödül töreni, 10 Aralık 2025'te Stockholm'de gerçekleştirilecek.
Clarke, basın toplantısında yaptığı açıklamada, keşfin hayatının sürprizi olduğunu belirterek, çalışmalarının kuantum bilgisayarların temellerini oluşturduğunu söyledi. Günümüzde cep telefonlarının çalışmasındaki payının da bu çalışmalara dayandığını ekledi.
20. yüzyılın başlarında atom altı parçacıkların gizemli dünyasına yapılan yolculukta, klasik fiziğin deterministik yasalarının geçerliliğini yitirdiği bir alan keşfedildi. Bu alanda belirsizlik hakim. Olaylar, kesinliklerle değil, olasılıklarla yönetiliyor ve makroskobik dünyada imkansız görünen durumlar, kuantum dünyasında düzenli olarak gerçekleşebiliyor.
Örneğin, atom altı parçacıklar, aşılmaz enerji bariyerlerinin içinden "tünel" açarak geçebilirler. Bir elektronu, yüksek bir engeli aşmaya çalışan bir su dalgası gibi düşünün. Su gibi davranmasa da, eğer elektronun dalga boyu engelden kısaysa, yine de diğer tarafa geçme olasılığı bulunuyor.
Bu ilginç olgu, birçok kez deneysel olarak doğrulandı. 1950'lerde fizikçiler, enerji bariyerine çarpan elektronların, engeli aşmak için yeterli enerjiye sahip olmamalarına rağmen, bu bariyerin içinden geçerek karşıya ulaştığı bir sistem geliştirdiler.
Atom Altından Makroskobik Boyutlara
Clarke, Devoret ve Martinis, kuantum tünelleme ve enerji kuantalaması gibi kuantum etkilerinin, sadece tek bir parçacık düzeyinde değil, makroskobik boyutlarda da gerçekleşebileceğini ilk kez gösterdiler.
Cambridge Üniversitesi'nde doktorasını tamamlayan Clarke, Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'de araştırmacı olarak görev yaptı ve 1969'da öğretim üyeliğine yükseldi. 1980'lerin ortalarında Devoret ve Martinis, Clarke'ın laboratuvarına sırasıyla post-doktora öğrencisi ve doktora öğrencisi olarak katıldılar. Üçlü, kuantum bilgisayar, kuantum algılama ve şifreleme alanlarında yaygın olarak kullanılan makroskobik bir cihaz olan Josephson eklemi üzerinde makroskobik kuantum tünelleme kanıtı aramaya karar verdiler.
1973 Nobel Fizik Ödülü'nü kazanan İngiliz fizikçi Brian Josephson'ın adını taşıyan Josephson eklemi, temelde yalıtkan bir bariyerle ayrılmış iki yarı iletken parçasından oluşur. İki iletken arasındaki bu küçük boşluğa rağmen, elektronlar yalıtkanın içinden tünelleyerek akım oluşturabilir. Bu durum, yeterince düşük sıcaklıklarda, elektronların "Cooper çiftleri" adı verilen yapıları oluşturmasıyla gerçekleşir.
Ekip, bir santimetre boyutlarında, yaklaşık bir çip üzerine, klasik sarkaçın kuantum versiyonu olarak nitelendirilebilecek bir elektrik devresi tabanlı osilatör inşa etti. En büyük zorlukları, deney düzeneklerindeki gürültüyü azaltmaktı. Deneyleri için önce ekleme zayıf bir akım verdiler ve voltajı ölçtüler, başlangıçta sıfırdı. Ardından akımı artırdılar ve sistemin kapalı durumundan çıkarak voltaj üretmesi için geçen süreyi ölçtüler.
Yaptıkları birçok ölçümde, beklenen şekilde, cihazın sıcaklığı düştükçe ortalama akımın arttığını gözlemlediler. Ancak belirli bir sıcaklığın altında, cihaz süperiletken hale geldi ve ortalama akım, cihazın sıcaklığından bağımsız hale geldi. Bu durum, makroskobik kuantum tünellemenin açık bir işaretiydi.
Ekip ayrıca, Josephson ekleminin kuantalanmış enerji seviyeleri sergilediğini de gösterdi. Bu, sistemin enerjisinin, tıpkı atom altı parçacıkların enerji kazanıp kaybederken belirli ve ayrık miktarlarda olması gibi, yalnızca belirli izin verilen değerlerle sınırlı olduğu anlamına geliyordu. Bu keşif, kuantum biliminde bir devrim yarattı, çünkü diğer bilim insanları artık silikon çipler üzerinde hassas kuantum fiziğini test edebileceklerdi.
Lazerler, süperiletkenler ve süperakışkan sıvılar, makroskobik ölçekte kuantum mekaniksel etkiler sergiler, ancak bunlar mikroskobik bileşenlerin davranışlarının birleşmesiyle ortaya çıkar. Clarke, Devoret ve Martinis, makroskobik bir durumdan, ölçülebilir bir voltaj gibi makroskobik bir etki yaratmayı başardılar. Sistemleri, çip üzerindeki süperiletkenin tamamını dolduran milyarlarca Cooper çiftini içeriyordu, ancak hepsi tek bir dalga fonksiyonu ile tanımlanıyordu. Sanki büyük ölçekli yapay bir atom gibi davranıyorlardı.
Aslında, inşa ettikleri devre temel bir kübittti. Martinis, daha sonraki bir deneyde, böyle bir devrenin bilgiyi taşıyan bir birim olabileceğini gösterdi. En düşük enerji seviyesi ve bunun hemen üstündeki seviye sırasıyla 0 ve 1 olarak işlev görüyordu. Bu, 2007'deki transmon gibi gelişmelere zemin hazırladı: gürültüye karşı azaltılmış hassasiyete sahip süperiletken bir yük kübiti.
Kazananların çalışmalarının kuantum bilgisayar ve diğer uygulamalar üzerindeki etkisinin ne kadar önemli olacağını o dönemde tam olarak fark etmedikleri belirtiliyor. Bu temel araştırmanın, gelecekteki teknolojik atılımların temellerini oluşturduğu vurgulanıyor.
