Нобелова награда за физику 2025: Велики корак ка квантној технологији будућности

За разлику од Нобелове награде за мир, она која се додељује за физику сачувала је свој реноме и репутацију. У свом тестаменту, Алфред Нобел ставио је физику на чело награђиваних научних дисциплина – испред хемије, медицине, књижевности или награде за мир (награда за економију додата је накнадно).

Иако је неправди било, јер неки велики физичари никад нису добили ову награду, битно је поменути да ниједан добитник није био научно оспораван и да су награђена научна достигнућа преживела тест времена. Једноставно, за физичара не постоји награда која би се могла упоредити са Нобеловом.

Зато је, и поред својих мањкавости, хроника Нобелове награде за физику једна фасцинантна прича о непрекидном, незаустављивом расту људског знања. Прошлогодишњу награду, подсећања ради, добили су Џон Хопфилд и Џефри Хинтон за свој пионирски рад на пољу машинског учења и вештачке интелигенције.

Ове године Нобелову награду за физику добили су Џон Кларк, Мишел Деворе и Џон Мартинис за свој рад у пољу квантне физике, односно за откриће „макроскопског квантног тунел-ефекта и демонстрацију квантне природе укупне енергије електричног кола“. Њихов рад, стоји у образложењу Нобеловог комитета, „омогућио је развој нових технологија базираних на квантној физици као што су квантна криптографија, квантни сензори и квантни компјутери“.

У обраћању након доделе награде, председавајући Нобеловог комитета за физику Оле Ериксон je изјавио: „Фасцинантно је како нам квантна физика, наука стара преко 100 година, још увек приређује изненађења. И све то уз огромну практичну корист јер је квантна механика уткана у темељ данашње дигиталне технологије.“

На важност квантне механике, која објашњава понашање материје и енергије на најнижем, субатомском нивоу, скренуо је пажњу и УНЕСКО, који је у славу њене стоте годишњице 2025. годину прогласио за Међународну годину квантне науке и технологије.

Иако је на свом почетку квантна механика била дочекана са великом скепсом јер се многи њени постулати косе са здраворазумским поимањем света, а често и са елементарном логиком, ова теорија успешно је прошла најригорозније експерименталне провере и данас се сматра једном од најуспешнијих творевина људског ума.

Почеци квантне механике припадају заправо крају 19. века, када су физичари покушавали да објасне спектар зрачења које емитује тело на одређеној температури. Према тадашњим прорачунима, укупна енергија емитована у домену врло кратких таласних дужина имала је бесконачну вредност. Покушаји физичара да објасне ову „ултра-љубичасту катастрофу“ били су неуспешни све док Макс Планк није добио коректан резултат претпостављајући да се емитована енергија састоји из дискретних „пакета“.

Иако је за Планка ова претпоставка била тек корисна математичка поштапалица, наредне генерације научника (Хајзенберг, Дирак, Шредингер, Паули, Ајнштајн, Бор и многи други) показаће да је Планкова претпоставка заправо физичка реалност. То сазнање старо је отприлике 100 година, отуд и иницијатива УНЕСКО-а да се ова година адекватно и обележи. С правом.

Квантна механика нам је у међувремену показала да материја има дуалну, честично-таласну природу, да је немогуће истовремено прецизно одредити све параметре честица (положај, брзину, енергију), да се свака од честица може налазити у суперпозицији стања која су често контрадикторна, те да пар честица може имати спрегнута својства без обзира на њихово међусобно растојање. Та сазнања нису само научна егзотика: да није њих, данас не бисмо имали полупроводнике, микропроцесоре, рачунаре...

 „Тунел-ефекат“

Један од чувених квантних феномена односи се на тзв. квантно „тунелирање“ или „тунел-ефекат“ (quantum tunneling).

Посматрајте, рецимо, протоне (језгра водоника), у Сунчевом језгру – да би дошло до њиховог спајања (фузије) неопходно је да протони имају довољну енергију да савладају невидљиву „енергетску баријеру“. Та баријера резултат је просте чињенице да сви протони имају позитивно наелектрисање и да се истоимена наелектрисања међусобно одбијају.

Да би протони „прескочили“ ову баријеру и „залепили се“ међусобно, потребно је да имају довољно високу кинетичку енергију одређену температуром у језгру Сунца. Иако је та температура колосална (реда 15 милиона Келвина), ако узмете у обзир законе класичне физике испоставиће се да је она, ипак, недовољна да превазиђе постојећу одбојну силу између протона како би фузиони процес уопште могао да започне.

Дакле, проста математика каже да би Сунце требало да буде инертна, хладна лопта сачињена од водоника и хелијума, налик на Јупитер или Сатурн. Па ипак, фузија на Сунцу се дешава уз емитовање огромне количине енергије јер постоји „нешто“ што омогућава започињање нуклеарне реакције. То „нешто“ је тзв. „тунел ефекат“.

Како Сунце сија

Суштина феномена лежи у томе да је сваки протон у квантној механици представљен „таласном функцијом“ која дефинише вероватноћу да се честица у одређеном тренутку нађе у одређеном делу простора. У близини енергетске баријере та функција драстично опада, али не нестаје, тако да постоји нека мала вероватноћа да се честица, и поред релативно мале енергије коју поседује, нађе са друге стране баријере.

Та вероватноћа је толико мала да ће се од неколико милијарди протона који се налазе на путањи чеоног судара формирати само један пар који ће моћи да учествује у наставку нуклеарне фузије. За спољашњег посматрача изгледа као да је један од протона из новоформираног пара пронашао скривени „тунел“ у енергетској баријери између њих и нашао се на другој страни препреке, у непосредној близини другог протона.

И наредне фазе нуклеарне реакције имају сличне енергетске баријере, тако да је једном протону, у просеку, потребно око 10 милијарди година да прође кроз цео процес фузије. Али то је само просек: због величине Сунца и огромног броја протона, увек има довољно оних који ће много пре проћи кроз своје „тунеле“, све док се од четири протона не формира језгро хелијума, уз ослобађање енергије која Сунцу омогућава да сија, а нама да живимо.

Све што је могуће, десиће се кад-тад

Без квантног тунелирања не бисмо могли да објаснимо ни феномен радиоактивности – алфа честица налази се заробљена у атомском језгру јер је њена енергија недовољна да се отргне јакој нуклеарној сили која је држи везаном за језгро. Па ипак, због природне таласне функције, постоји одређена вероватноћа да и тако „окована“ алфа честица кад-тад напусти језгро. Понекад је за реализацију овог процеса потребан делић секунде, понекад небројене године...

Али поента је у томе да ће се све што је могуће, ма колико мало вероватно, десити кад-тад, јер природа има времена колико год хоћете.

Феномен је нашао и своју практичну примену: без тунел-ефекта не би било ни многих модерних полупроводничких материјала, електронских микроскопа екстремно високе резолуције, савремених уређаја за складиштење података, мерне опреме изузетне осетљивости, квантних рачунара...

Овде се намеће се једно интересантно питање: ако један протон или електрон може да прође кроз наизглед непремостиву енергетску баријеру, да ли је тако нешто могуће на макроскопском нивоу?

Другим речима, и помало карикирано: да ли је могуће да тениска лоптица бачена у бетонски зид прође кроз препреку и нађе са његове друге стране? Теоретски одговор је – да!

Већ поменута таласна функција може се срачунати и за групу честица и за читава тела тако да, бар у теорији, бачена лоптица може да заврши било где, па чак и иза зида. Међутим, та вероватноћа толико је мала да се у пракси такве ствари не дешавају: могли бисте да проведете трилионе година бацајући лопту у зид, а да она ниједном не пређе на супротну страну.

Аутомобили не пропадају кроз асфалт, путници не испадају из авиона, затвореници не пролазе тек тако кроз затворске решетке и ви, док читате овај текст, свакако нећете пропасти кроз столицу. Рекло би се да је тунел-ефекат појава ограничена на микросвет, на само једну или, евентуално, пар честица.

Ипак, једна група америчких научника решила је да ово наизглед очигледно тврђење стави на пробу.

Проширење скале тунел-ефеката

У серији експеримената обављених средином осамдесетих година прошлог века, Џон Кларк, Мишел Деворе и Џон Мартинис показали су да се тунелски процес може осмотрити на много већој скали, са много већим бројем честица.

Тестирани објекат био је налик на компјутерски чип, довољно велики да стане у шаку, састављен од два полупроводника одвојена танким слојем изолатора (такозваним „Џозефсоновим спојем“, који је осмислио још један нобеловац, Брајан Џозефсон).

Када се овај материјал охлади скоро до апсолутне нуле, електрони који слободно „плутају“ унутар кристала полупроводника формирају тзв. „Куперове парове“, који се понашају као једна елементарна честица са потпуно новим својствима. Та својства омогућавају паровима електрона да путују кроз материјал без отпора. Брајан Џозефсон је претпоставио да ови парови, захваљујући тунел-ефекту, могу да прођу кроз изолациону мембрану, што је експериментално потврђено 1962. године.

Инспирисани радовима британског научника Ентониja Џејмсa Легетa, који се бавио физиком ниских температура и за свој рад у области суперфлуидности добио Нобелову награду за физику 2003. године, овогодишњи нобеловци Кларк, Деворе и Мартинис решили су да оду корак даље.

Квантна механика на макро нивоу

Према Легетовој теорији, на довољно ниској температури систем би требало да дође у стање минималне енергије у коме би сви Куперови парови заједно били описани једном таласном функцијом и понашали се као јединствени ентитет.

Користећи иновативне технологије мерења карактеристика Јозефсоновог споја, овај трио научника успео је да покаже да се на екстремно ниским температурама милијарде електрона који пролазе кроз мембрану понашају као једна честица која формира читаво струјно коло.

Они су истовремено показали и да се енергија ускладиштена у таквом електричном току може увећати или смањити само у дискретним количинама, истим оним „пакетићима“ које је некада давно „измислио“ Макс Планк, баш као што то квантна механика и предвиђа.

Кларк је у једном раду из деведесетих година показао како се овај макроскопски тунел-ефекат може искористити у индустрији суперпроводних материјала за израду екстремно осетљивих инструмената за мерење интензитета магнетног поља или струјног напона. Ови уређаји, познати под називом SQUIDS, врло брзо су нашли примену и у индустрији, пре свега у медицинској опреми.

Суштински допринос ове тројице научника био је у томе што су показали да квантна механика није ограничена само на свет веома малог већ да се може применити и на средњем („мезо“) и на највишем („макро“) нивоу, где у квантним процесима оркестрирано учествују милијарде спрегнутих честица.

Ти квантни системи довољно су велики да их можете видети и опипати и не траже никакву посебну опрему за руковање.

Добитници

Џон Кларк рођен је у Кембриџу 1942. године, где је студирао физику и стекао докторску титулу. У Америку се преселио 1968. како би наставио пост-докторске студије на Берклију. Професорско место на истом универзитету добио је годину дана касније и ту је провео целу научну каријеру.

Мишел Деворе рођен је у Паризу 1953. године. Докторирао је физику на париском универзитету 1982. године. Након тога преселио се у Беркли како би радио са Кларком и Мартинисом, који је у то време још увек био студент. Накратко се вратио у Француску да би тамо основао сопствени истраживачки центар, али се 2002. године одлучио да каријеру настави на универзитету Јејл. На универзитет Санта Барбара у Калифорнији прешао је 2024. године.

Деворе је, уз факултетску каријеру, веома ангажован и у Гуглу где предводи Гуглов „Квантум тим за вештачку интелигенцију“. Председник Француске Емануел Макрон лично му је честитао на добијеној награди.

Џон Мартинис рођен је 1958. године у Америци. Дипломирао је на Берклију 1980. године, а на истом универзитету касније је и докторирао. Пост-докторске студије започео је у Америци, а завршио у Француској. На универзитету у Санта Барбари радио је од 2004. до 2014. године, а затим се придружио Гуглу, како би учествовао у развоју квантних рачунара. У Аустралију се преселио 2020. године и запослио у стартап компанији „Силикон Квантум Компјутинг“ у којој и даље ради као менаџер задужен за технологију.

Када прелетите кроз ове биографије, рекло би се да се овогодишња додела Нобелових награда надовезала на прошлогодишњу када су три Нобелове награде, две за хемију и једна за физику, такође отишле у руке инжењера који су мањи или већи део свог радног века провели у Гугловим истраживачким центрима.

У својој првој изјави након сазнања да је добио Нобелову награду Кларк није крио изненађење, с обзиром да је од тренутка открића па до данас прошло скоро четири деценије. Скромно је рекао да је он само један од тројице заслужних и да је одушевљен чињеницом да се феномен којим су се бавили, данас користи у сваком компјутеру или мобилном телефону.

Осим тога, поменуо је да са великим интересом прати развој квантних рачунара чије су могућности, бар на папиру, неслућене: „Знам да неки од ових рачунара користе резултате нашег рада, а да ли ће се нешто из тога на крају изродити, не умем да проценим.“

Шта су суперкомпјутери?

Да бисмо уопште почели причу о квантним компјутерима, у које највеће светске информатичке компаније улажу милијарде долара, морамо да се подсетимо како функционишу они класични.

Без обзира да ли говоримо о мобилном телефону, таблету, лаптопу или суперкомпјутеру, постоји нешто што им је заједничко: сви ти уређаји манипулишу искључиво нулама и јединицама на исти начин.

Сваки видео, твит, порука или текст који управо читате није ништа друго до низ нула и јединица. Када компјутер „нешто рачуна“, процесор, као главна „радилица“ у њему, конвертује један скуп нула и јединица у други коришћењем инструкција које су такође записане нулама и јединицама.

Оно што обично називамо „меморијом“ заправо је скуп електронских прекидача који имају тачно два различита стања – једно од њих означавамо као „0“, друго као „1“. Не постоји „међустање“, нешто између две поменуте крајности. Најмања количина информација којом компјутер може да манипулише зове се бит и бит може да има само две наведене вредности.

Када повежете хиљаде процесора и много битова у једну целину и на то додате софтвер који је у стању да искористи сав тај хардверски потенцијал, добијате суперкомпјутер који је у стању да решава најтеже проблеме из математике, физике, хемије, медицине, технике...

Најбржи суперкомпјутер данашњице, јапански „Фугаку“, у стању је да изведе невероватних 440 хиљада билиона рачунских операција у секунди.

Али природа не функционише по систему „или нула или један“. У природи постоји елемент неизвесности који је тешко симулирати класичним компјутерима. Постоји и читава класа проблема који су наизглед једноставни, али неподесни за решавање коришћењем суперкомпјутера.

Један од интересантнијих је „проблем трговачког путника“. Замислите трговца који жели да понуди своју робу у 100 различитих градова. Којим редоследом он треба да посети ове градове тако да пређе најмање километара? Ово је класични комбинаторни проблем и налажење оптималног решења често подразумева секвенцијално испитивање енормног броја могућности, што је дуготрајан процес чак и на најјачим компјутерима. 

Шта су квантни компјутери? 

Квантни компјутери не представљају нову генерацију компјутера, баш као што ни сијалица не представља нову генерацију свећа. Квантни компјутери неће једног дана заменити сву нашу кућну или канцеларијску електронику. Класични компјутер и даље ће представљати најједноставније, најекономичније, а често и најбрже средство за решавање већине свакодневних проблема. Квантни компјутери су нешто сасвим друго за нешто сасвим треће...

Код квантних компјутера уместо битова имамо „квантни бит“ или кубит („qubit“). У физичком смислу, кубит може да буде један фотон, пар спрегнутих електрона унутар проводника охлађеног до апсолутне нуле, један атом на тацни од силицијума, јон контролисан електромагнетним пољем или нешто стото.

У сваком случају, кубит је због своје величине врло осетљив и свака манипулација кубитима је врло деликатан процес.

На тако минијатурној скали, свака честица има одређена својства која најчешће немају еквивалент у макроскопском свету. Та својства заједно дефинишу тзв. квантно стање честице. Ако је то стање контролисано и мерљиво, имамо кубит, основну рачунарску јединицу квантног компјутера. Један кубит не представља ништа, квантни рачунар настаје тек кад повежете више кубита у једну целину.

Тако спрегнути кубити имају неупоредиво већу рачунарску снагу у односу на исти број повезаних битова. Додавањем једног бита у класични систем не добијате практично ништа, али зато додавањем једног кубита у квантни рачунар дуплирате његову снагу.

Ова снага проистиче из два квантна феномена: суперпозиције и спрегнутости.

Феномен суперпозиције

Замислите новчић бачен у ваздух. Он ће на крају пасти на под, на једну или другу страну, на нулу или јединицу. У свету класичних компјутера, ово су једина два могућа исхода. Кубит, међутим, представља бачени новчић који се још увек врти у ваздуху. У свом квантном стању кубит садржи оба крајња резултата, и нулу и јединицу.

Суперпозиција представља способност кубита да буде у оба различита стања истовремено.

Кубит је, просто речено, објекат који у датум тренутку има вредност 0 или 1 са одређеном вероватноћом. Кубит може да „нагиње“ једној од ове две вредности, а суштина квантних прорачуна је да се ово „неодређено“ стање преведе у стање у коме кубит има вредност 0 или 1, елиминишући елемент случајности.

Још један пример суперпозиције: замислите лавиринт и задатак да нађете излаз из њега. Класични компјутери једноставно праве насумичне покушаје. Први покушај биће, на пример, скретање улево. Ако се ово покаже као погрешна стратегија, наредни покушај биће скретање удесно. И тако на свакој раскрсници лавиринта на коју компјутер наиђе. Процес је у сваком случају дуготрајан, али води до крајњег циља.

Код квантног компјутера, захваљујући суперпозицији кубита, могуће је истовремено скренути и лево и десно.

Квантни компјутер истражује обе могућности истовремено, као да функционише у две паралелне димензије. Број могућности расте са сваком новом раскрсницом, али се сложеност прорачуна не повећава. Повећава се само број димензија проблема.

Кључна карактеристика квантног компјутера је да он ове додатне димензије рутински третира као један велики мултидимензионални простор, у коме свака димензија садржи једно од могућих решења.

Феномен спрегнутости

Други квантни феномен, спрегнутост, представља способност кубита да се упарују тако да се налазе у идентичном квантном стању. Промена стања једног кубита тренутно се одражава и на спрегнути кубит, чак и ако се он налази на веома великом растојању.

Ајнштајн је ову појаву назвао „сабласном акцијом на даљину“, а квантна механика још увек нема задовољавајуће објашњење за овај феномен.

Свеједно, нико нас не спречава да користимо чак и оно што не разумемо. За разлику од класичних компјутера чија је снага, отприлике, пропорционална броју битова, снага квантних компјутера расте страховито брзо са додавањем нових кубита, управо захваљујући квантној спрегнутости.

Како се број кубита буде повећавао, супер-рачунари ће све теже држати корак. Када квантни рачунар буде имао више од 70 стабилних кубита, супер-рачунар ће морати да заузме површину читавог једног града како би имао исту компјутерску снагу. На дуге стазе, суперкомпјутери ће изгубити ову трку. Али само под условом да квантни компјутери преживе, тј. превазиђу садашње тешкоће.

Границе квантних рачунара

Овде наилазимо на кључни проблем: сви данашњи квантни рачунари пате од „декохеренције“, (пре)осетљивости на спољашње утицаје, чак и оне најмање. Управо контрола декохеренције квантне рачунаре чини тако компликованим и скупим.

Најмања вибрација, прилив топлоте или физички контакт могу неконтролисано да промене или очитају квантно стање кубита пре него што он заврши своје учешће у израчунавању. Када се квантно стање кубита очита пре завршетка израчунавања, кубит „колабира“. Другим речима, постаје неупотребљив.

Управо зато се кубити смештају у строго контролисано окружење, најчешће вакуум, уз температуру блиску апсолутној нули. Иако су кубити често минијатурни, квантни компјутер има величину великог фрижидера у коме се највећи део опреме користи за спречавање декохеренције.

Са свим тим цевима, цревима, спиралама, висећим проводницима, блоковима за хлађење, стварање и одржавање вакуума, квантни компјутер више личи на инсталацију Ханса Гигера позајмљену из серијала „Осми путник“, него на машину за рачунање.

Демонстрација силе

Данашњи информатички гиганти троше милијарде долара годишње како би њихови квантни рачунари коначно демонстрирали „квантну супремацију“, тј. способност да реше бар неки компликовани (не нужно и корисни) математички или физички проблем брже од класичних рачунара.

Досадашњи резултати су релативно скромни и дискутабилни. Гугл је 2019. године објавио да је, користећи свој квантни рачунар „Сикамор“ са 53 кубита достигао стадијум супремације, да би нешто слично урадила и кинеска компанија „Јиужанг“, само годину дана касније. Проблеми који су решавани у ова два случаја били су толико апстрактни (и бескорисни) да би сваки покушај њиховог описивања у пар реченица био узалудан.

Јавност је са скепсом испратила ову квантну „демонстрацију силе“, сматрајући да су решавани проблеми били извештачени, без икакве употребне вредности, уз понеки „злобан“ коментар да квантни рачунари још увек кубуре са елементарним рачунским операцијама као што су сабирање или множење два двоцифрена броја.

Али, нико још није спреман да одустане. Гугл и многи његови ривали развој својих квантних рачунара данас базирају на суперпроводним кубитима, налик на оне са којима су експериментисали Кларк, Деворе и Мартинис.

Они су показали да се квантна својства потребна за имплементацију кубита и квантних рачунара могу наћи и у макро-системима који су, може бити, много подеснији за имплементацију, коришћење и управљање од кубита конструисаних од појединачних атома или елементарних честица.

Ако имате кубит који добро разумете, који је релативно лако направити, којим је лако манипулисати и који је стабилан током дуготрајних прорачуна, онда ни достизање квантне супремације не мора да буде далеко.

Уз огромну славу која их је заслужено снашла, Кларк, Деворе и Мартинис треба да поделе и новчану награду од милион евра на равне части. Делује много али то је, вероватно, тек милионити део профита који ће остварити компанија која на тржиште буде избацила први квантни компјутер способан да решава практичне проблеме.

Овогодишњи лауреати су својим радом показали да се квантни системи могу створити и у макроскопском свету. Колико велики ти квантни системи заиста могу да буду и како их искористити у дигиталним технологијама сутрашњице показаће, највероватније, неки нови нобеловци.