בתמונה למעלה: שבב שנבנה על-ידי NIST המדגים את אפקט ג'וזפסון. מקור: ויקי
האקדמיה המלכותית השוודית למדעים הכריזה אתמול (ג') כי פרס נובל לפיזיקה לשנת 2025 הוענק לשלושה חוקרים – ג׳ון קלארק מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, מישל דבורה מאוניברסיטת ייל, וג׳ון מרטיניס מאוניברסיטת קליפורניה – על ניסויים חלוציים שביצעו באמצע שנות השמונים, שהוכיחו כי תופעות קוונטיות יכולות להתקיים גם במערכות גדולות הניתנות למדידה ישירה. הניסויים נערכו בשנים 1984-1985 והראו לראשונה כי מעגלים חשמליים שלמים מסוגלים לנהוג לפי חוקי המכניקה הקוונטית. התגלית הזו פתחה את הדרך למחשבים ולחיישנים קוונטיים ולדור הבא של הטכנולוגיה הפיזיקלית.
בלב המחקר עומדת תופעת "החצייה הקוונטית" (Quantum Tunneling): מצב שבו מערכת מצליחה לעבור דרך מחסום אנרגטי שאמור היה לעצור אותה על פי החוקים הקלאסיים. כדי להמחיש זאת יצרו החוקרים מעגלים חשמליים המכילים רכיב זעיר הקרוי "מעבר ג'וזפסון", שבו שני מוליכי-על מופרדים בשכבה דקה של מבודד. כשהמעגל מקורר לטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט, מתנהגים האלקטרונים בתוכו כיישות קוונטית אחת, והמערכת כולה יכולה "לקפוץ" בין שני מצבים אנרגטיים מבלי לעבור את המחסום בדרך הרגילה – תופעה שהייתה עד אז מוכרת רק מעולם החלקיקים התת־אטומיים.
הניסויים הראו כי המעגלים הללו לא רק מציגים יכולת חצייה קוונטית, אלא גם סופגים ופולטים אנרגיה במנות מדויקות. כלומר, הם מצייתים לאותם כללים של תורת הקוונטים השולטים באטומים ובפוטונים. המעבר הזה בין העולם הזעיר לעולם המקרוסקופי היה נקודת מפנה היסטורית בפיזיקה הניסויית, משום שהוא ביטל את הגבול החד שבין שני התחומים האלה, והוכיח שאפשר לבנות רכיבים בגודל הנראה לעין, אולם המתנהגים לפי עקרונות קוונטיים.
מיסוד הדרך למחשוב קוונטי
המעגלים שיצרו השלושה היוו את הבסיס למה שיתפתח בשנות האלפיים ללבו של המחשב הקוונטי: קיוביט מבוסס מוליך-על. הרעיון הפשוט אך המהפכני היה להפוך את המעגל החשמלי הקוונטי ליחידת חישוב, שבה הזרם יכול לזרום בשני כיוונים בו־זמנית, ממש כפי שחלקיק יכול להימצא בשני מצבים בו־זמנית. במקום ביט קלאסי שמייצג אפס או אחד, קיוביט כזה מייצג גם וגם, ומאפשר למחשב לבצע חישובים במקביל בקנה מידה עצום.
ג׳ון מרטיניס, אחד הזוכים, הוביל בהמשך את קבוצת הפיזיקאים של גוגל שבנתה את המעבד הקוונטי Sycamore, שהיה המחשב הראשון שהדגים עליונות קוונטית בכך שביצע חישובים שמחשב קלאסי היה מתקשה להשלים בזמן ריאלי. מישל דבורה פיתח באוניברסיטת ייל את תחום ה-Circuit QED, שבמסגרתו מחוברים הקיוביטים לשדות מיקרוגל המאפשרים שליטה וקריאה מדויקת של מצבם. ג׳ון קלארק היה מהראשונים שהראו כי ניתן למדוד אותות מגנטיים זעירים באמצעות רכיבי SQUID רגישים ברמות קוונטיות – טכנולוגיה המשמשת גם כיום ב-MRI וברפואה גרעינית.
קפיצת מדרגה הנדסית
מעבר לחשיבות המדעית, העבודה של השלושה הייתה גם הישג הנדסי עצום. כדי לצפות בתופעות הללו נדרשו מערכות המורידות את הטמפרטורה לאלפיות המעלה, מיגון אלקטרומגנטי כמעט מוחלט ומכשירי מדידה ברמת רגישות חסרת תקדים. כל אלה הפכו מאז לכלים הסטנדרטיים של תעשיית המחשוב הקוונטי. פרס נובל השנה הוא אפוא הכרה בכך שהקוונטים חדלו להיות תופעה אזוטרית של עולם החלקיקים, והפכו לתשתית טכנולוגית הנדסית. בזכות קלארק, דבורה ומרטיניס, המעבר ממדע תיאורטי למערכות קוונטיות מעשיות הושלם, ומכאן נולדה אחת המהפכות המשמעותיות ביותר של העידן הנוכחי: המחשב הקוונטי.