Maria Gunther: Fysikpristagarna gjorde kvantmekaniken synlig

I år firar kvantmekaniken 100 år. Därför har FN utsett 2025 till det internationella året för kvantvetenskap och teknik. Mot denna bakgrund känns årets Nobelpris i fysik särskilt lämpligt, då det belönar ett banbrytande kvantmekaniskt experiment som vidgar vår förståelse av materiens mest bisarra egenskaper.

Kvantmekanikens grunder lades i mitten av 1920-talet av Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger och Paul Dirac – alla Nobelpristagare i fysik under 1930-talet. Deras teorier presenterade en värld där partiklar beter sig som vågor och kan existera i flera tillstånd samtidigt eller befinna sig på platser som verkar omöjliga.

Ett av de mest förbryllande kvantmekaniska fenomenen är tunnling – partiklars förmåga att ta sig igenom barriärer som enligt klassisk fysik skulle vara ogenomträngliga. I vår vardagliga verklighet skulle detta motsvara att en tennisboll kastas mot en tegelvägg och plötsligt passerar rakt igenom den utan att lämna något hål.

Länge ansåg fysiker att sådana fenomen endast existerade på atom- och partikelnivå. Det finns gott om bevis för detta, exempelvis i radioaktiva sönderfall där delar av atomkärnan bryter sig loss trots att kärnkrafterna borde hålla den intakt. Erwin Schrödinger illustrerade det absurda i att tillämpa kvantmekanik på makroskopiska objekt genom sitt berömda tankeexperiment med en katt som skulle vara både levande och död samtidigt.

Men årets Nobelpristagare i fysik – John Clarke, Michel Devoret och John Martinis – gjorde något revolutionerande under åren 1984 och 1985. De visade experimentellt att tunnling faktiskt kan ske även i system som är tillräckligt stora för att kunna observeras med blotta ögat.

Forskarna arbetade med supraledare, material som vid extremt låga temperaturer kan leda elektrisk ström helt utan motstånd. I supraledare bildar elektronerna par, så kallade Cooperpar, och alla dessa par kan tillsammans fungera som en enda kvantmekanisk enhet – ett makroskopiskt kvantfenomen.

Clarke, Devoret och Martinis demonstrerade att när ett sådant supraledande system är instängt i ett tillstånd där ström flyter utan elektrisk spänning, kan det ibland ”tunnla” sig ut och övergå till ett tillstånd med spänning – något som enligt klassisk fysik skulle vara omöjligt. De kunde mäta denna spänning, vilket bekräftade att kvantmekaniska effekter kan uppträda även i större system.

Särskilt imponerande är att John Martinis fortfarande var doktorand när dessa banbrytande experiment utfördes. Han har sedan dess fortsatt att vara en ledande forskare inom kvantdatorer.

Kvantmekaniken som teoretisk grund är avgörande för mycket av vår moderna teknik. De specifika upptäckter som årets Nobelpristagare gjorde har dock ännu inte lett till direkta praktiska tillämpningar utanför forskningsvärlden. Men deras arbete är fundamental kunskap som ökar vår förståelse av materiens natur. När och om vi i framtiden får fungerande supraledande kvantdatorer – ett område där särskilt John Martinis är djupt engagerad – kommer dessa att bygga på de principer som pristagarna demonstrerade.

Det är viktigt att klargöra att det uppstått vissa missförstånd kring pristagarnas upptäckter. Vid presentationen av priset på Kungliga Vetenskapsakademien förekom förvirring, delvis på grund av tekniska problem med telefonförbindelsen till John Clarke. Detta ledde till att några felaktigt rapporterade att upptäckterna skulle ligga till grund för mobiltelefoners funktion, vilket inte är korrekt.

John Clarke är professor vid University of California, Berkeley, och föddes i Cambridge, Storbritannien 1942. Michel Devoret, född 1953 i Paris, är professor vid Yale University. John Martinis, född 1958, är verksam vid University of California, Santa Barbara, där han även disputerade 1987.

När FN nästa år uppmärksammar kvantvetenskapens betydelse kommer årets Nobelpris att stå som en påminnelse om hur denna vetenskap fortsätter att utmana vår förståelse av verklighetens innersta natur.