2025 Nobel Fizik Ödülü
(nobelprize.org)- John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis, geleneksel olarak yalnızca mikroskobik ölçekte mümkün olan kuantum olgularını, elde tutulabilecek kadar büyük sistemlerde gerçekleştirdi
- Bu isimler, süperiletken elektrik devreleri aracılığıyla çok parçacıktan oluşan sistemlerde makroskopik kuantum tünelleme ve enerji kuantizasyonunu doğrudan kanıtladı
- Deneylerde sistem, tünelleme olgusu sayesinde durum değiştiriyor ve enerjiyi yalnızca belirli büyüklüklerde soğurup yayıyor
- Bu çalışma, makroskopik ölçekte gözlemlenebilen kuantum etkileri ile bunların kuramsal ve deneysel anlamına dair derin bir anlayış sunuyor
- Bu başarı, kuantum teknolojileri geliştirilmesi ve kuantum bilgisayarların hayata geçirilmesi için temel oluşturan önemli bir deneysel doğrulama niteliği taşıyor
Kuantum özellikleri, insan ölçeğinde gözlemlendi
2025 Nobel Fizik Ödülü sahipleri John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis, deneylerle kuantum dünyasının sıra dışı olgularının elde tutulabilecek kadar büyük sistemlerde de ortaya çıktığını kanıtladı. Ürettikleri süperiletken elektrik devreleri, durumlar arasında sanki bir duvarın içinden geçerek hareket ediyormuş gibi görünen tünelleme olgusunu sergiliyor. Ayrıca devreler, kuantum mekaniğinin öngördüğü gibi yalnızca belirli büyüklüklerde enerjiyi soğuruyor ya da yayıyor.
Yenilikçi deney dizisi
- Kuantum mekaniği, olayları tekil parçacıklar düzeyinde açıklar; ancak gündelik makroskopik olaylarda kuantum etkileri görünür değildir
- Buna karşın Clarke, Devoret ve Martinis, süperiletkenlerden oluşan elektrik devrelerinde çok sayıda parçacığın tek bir dev parçacık gibi hareket ettiğini göstererek makroskopik kuantum tünellemeyi deneysel olarak doğruladı
- Bu olgu, çekirdek bozunumu gibi mevcut kuantum tünelleme örneklerinden farklı olarak, milyarlarca parçacığın aynı anda eşgüdümlü hareket ettiği bir sistemde gözlemlendi
- Deney devresinde iki süperiletken ile iletken özellikli ince bir yalıtım duvarı (Josephson junction) kullanılarak Cooper çiftlerinin kolektif hareketi tek bir dalga fonksiyonuyla tanımlandı
Tünelleri ve sınırları aşan kuantum mekaniği
- Kuantum tünelleme, tek parçacıklarda zaten iyi bilinen bir etkiydi; ancak bu yılın ödül sahipleri bunun çok sayıda parçacıkta da eşzamanlı biçimde makroskopik ölçekte ortaya çıktığını kanıtladı
- Cooper çiftleri, aynı kuantum durumunda bağlanarak tek bir dev parçacık oluşturur ve kolektif bir dalga fonksiyonuyla betimlenebilir
- Josephson junction, kuantum olgularını incelemede temel bir bileşendir; iki süperiletken arasındaki ince yalıtım bölgesi sayesinde dalga fonksiyonlarının etkileşimini ve makroskopik kuantum etkilerini araştıran deneyleri mümkün kılar
Araştırma grubunun deneysel meydan okuması
- John Clarke, Berkeley’de süperiletkenler ve Josephson junction üzerine çeşitli fizik araştırmalarına öncülük etti
- Michel Devoret doktora sonrası araştırmacı, John Martinis ise doktora öğrencisi olarak Clarke ile birlikte çalıştı. Üçlü, makroskopik kuantum tünellemenin deneysel kanıtlarını elde etmede ve hassas ölçümlerde başarı sağladı
- Deneylerde Josephson junction’a zayıf bir akım verildi, başlangıçta 0 volt durumu gözlemlendi; ardından belirli bir süre sonra tünelleme yoluyla gerilim oluştuğu kuantum değişim sayısal olarak kaydedildi
- Aynı deney birçok kez tekrarlanarak istatistiksel veriler biriktirildi ve çekirdek bozunumundaki yarı ömür ölçümlerine benzer şekilde tünelleme bekleme süresi dağılımı analiz edildi
Enerji kuantizasyonu ve deneysel hassasiyet
- Deney sonuçları, Cooper çifti topluluğunun sanki tek bir dev parçacıkmış gibi eşzamanlı enerji durumu değişimleri yaşadığını ve yalnızca belirli büyüklüklerde enerji soğurup yayan enerji kuantizasyonunun da gerçekleştiğini doğruladı
- Mikrodalga uygulanarak daha yüksek bir enerji durumuna çıkarıldığında, sistemin tünelleme bekleme süresinde kısalma gösterdiği ve bunun kuantum mekaniğinin öngörüleriyle uyumlu olduğu görüldü
Pratik ve kuramsal önemi
- Mevcut makroskopik kuantum olguları (ör. lazer, süperiletkenlik, süperakışkanlık), maddenin bireysel kuantum özelliklerinin birleşmesinin sonucudur. Ancak bu deney, büyük topluluğun kendisinin kuantum durumda olduğunu kanıtladı
- Bu deney, Schrödinger’in kedisi düşünce deneyine benzetilebilecek nitelikte olup çok parçacıklı toplulukların gerçekten kuantum mekaniği yasalarına uyduğunu gösterdi
- Makroskopik kuantum durumları, yapay atomlar gibi yeni deneysel platformların ve kuantum bilgisayarların kuantum biti (qubit) uygulamalarının geliştirilmesi için temel oluşturuyor
- Özellikle John Martinis, deneysel başarıların ardından kuantum bitlerinin 0 ve 1 durumlarını devre üzerinde doğrudan gerçekleştiren kuantum bilgisayar deneylerini de duyurdu
Sonuç
- 2025 Nobel Fizik Ödülü, makroskopik elektrik devrelerinde kuantum tünelleme ve enerji kuantizasyonunu deneysel olarak ilk kez kanıtlayan Clarke, Devoret ve Martinis’e verildi
- Bu çalışma, kuantum mekaniğinde deneysel ve kuramsal ilerleme ile yeni teknoloji alanlarının önünü açtı
Ek bilgi
- Bu yılki Nobel Ödülleriyle ilgili daha ayrıntılı bilimsel arka plan materyallerine www.kva.se ve www.nobelprize.org üzerinden ulaşılabilir
- Basın konferansı, konferans ve sergi gibi bilgiler www.nobelprizemuseum.se adresinde bulunabilir
2025 Nobel Fizik Ödülü sahipleri
- John Clarke: 1942’de Birleşik Krallık’ın Cambridge kentinde doğdu, 1968’de University of Cambridge’de doktorasını tamamladı, halen University of California, Berkeley’de profesör
- Michel H. Devoret: 1953’te Fransa’nın Paris kentinde doğdu, 1982’de Paris-Sud University’de doktorasını tamamladı, halen Yale University/University of California, Santa Barbara’da profesör
- John M. Martinis: 1958 doğumlu, 1987’de University of California, Berkeley’de doktorasını tamamladı, halen University of California, Santa Barbara’da profesör
“Elektrik devrelerinde makroskopik kuantum tünelleme ve enerji kuantizasyonunun keşfi”
1 yorum
Hacker News görüşü
Nobel ödülü sahibinden elektronik mühendisliği öğrendim
Fizik kariyerimde ve doktora sürecimde analog elektronik en zor ama aynı zamanda en tatmin edici dersti
Laboratuvarda bütün gece filtreyi çalıştırmaya uğraştığımı, birkaç saat uyuyup gün doğmadan önce tekrar laboratuvara döndüğümü hatırlıyorum
Çoğu ertelemekten kaynaklanıyordu ama o dönem gerçekten harika anılardı
O zamanlar en az anlayabildiğim kavram akım kaynağıydı
Gerilim kaynağına alışkındım ama akım kaynağı bana bir tür sihir gibi geliyordu
Profesör Martinis'e bunu sordum ama neden anlamadığımı onun pek anlayamadığı izlenimine kapılmıştım
Doğru cevap geri besleme idi (geri besleme kontrolü)
İyi bir gerilim kaynağı da geri besleme gerektirir
Profesör geri beslemeye o kadar alışkındı ki asıl kilit noktanın bu olduğunu söylemedi, oysa ben kontrol kavramının kendisini bile daha önce hiç duymamıştım
Sonunda profesörün laboratuvarına lisans araştırma öğrencisi olarak başvurdum ama reddedildim
Kendi açımdan bunun akım kaynağı kavramını anlayamamamdan olduğunu düşünmüştüm ama başvuruyu geç yapmış olmamdan da olabilir, ya da A- notumdan (erteleme yüzünden) kaynaklanmış olabilir
Sonunda bir biyofizik araştırmacısına gittim ve o andan itibaren tamamen farklı bir yol olan biyofizikçi oldum
Şimdi geriye baktığımda şanslı olduğumu düşünüyorum
Biyofiziğin hayatımın bir parçası olacağını hiç bilmiyordum
Elbette kuantum maddeler ya da QI/QC alanına gitsem de ilginç olabilirdi
Şu anda Mike and Ike (ders kitabı) ile çalışıyorum ve gerçekten çok ilginç buluyorum
Doktoradan sonra endüstriyel kontrol ve otomasyon alanında bir startup'ın kurucu ortağı oldum
Artık geri beslemeyi ve akım kaynaklarını oldukça iyi anlıyorum (uzun sürdü ama sonunda öğrendim)
(Bu arada, iyi bir gerilim kaynağının direnci ayarladığı, iyi bir akım kaynağının ise gerilimi ayarladığı noktası da önemli. Akım kaynağını daha zor bulmamın nedeni büyük ölçüde gerilim kaynaklarına, yani pillere, fazla alışkın olmamdı. Aslında buna daha eleştirel yaklaşmalıydım. Gerçekte ideal bir gerilim kaynağı (çok yüksek direnç) yapmak nispeten kolayken, ideal bir akım kaynağı (0 direnç) yapmak gerçekten çok zordur)
"İyi bir gerilim kaynağı direnci ayarlar, iyi bir akım kaynağı ise gerilimi ayarlar" sözü biraz kafa karıştırıcı olabilir gibi geldi
Bunun gerilim kaynağının akımı, akım kaynağının da gerilimi ayarladığı anlamına gelip gelmediğini sormak istiyorum (belki çok önemli değildir ama merakımdan yazdım)
İdeal bir akım kaynağı yapıp onu 50mA'ye ayarladıktan sonra biriyle temas ettirseniz oldukça korkutucu olurdu
"Oldukça iyi anlıyorum*" diye yazmam bir yazım hatasıydı (düzeltememek üzücü)
Geri besleme olmadan da verimsiz ama sabit bir akım kaynağı yapmak mümkün
Fred Ramsdell de bu yıl 2025 Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'nü kazandı
Şu anda tamamen "off-grid" bir yürüyüşte olduğu için kendisine ulaşılamadığı söyleniyor
İlgili haber
Devoret ve Martinis de gerçekten kuantum mühendisliğini yeni bir aşamaya taşıyor
Devoret Google Quantum AI'da, Martinis ise Qolab'da çalışıyor
Bir arkadaşım da Devoret ile doktora yapıyor ve Martinis ile çalışan birini de tanıyorum
Bu Nobel ile birlikte ikisinin de çok sayıda davetli konuşma ve açılış konuşması teklifi alacağı kesin, bu yüzden danışmanımı tekrar görebilecek miyim merak ediyorum
Davetli konuşmaların çoğu büyük ölçüde kişinin tercihine bağlıdır ama bir istisna var
Nobel kurallarına göre, ödül sahiplerinin Nobel ödülünü veren kurumun belirlediği bir konuda 6 ay içinde mutlaka bir ders vermesi gerekiyor
2024 Nobel Fizik Ödülü'nün (sinir ağlarının kökleriyle ilgili) dersi de ödül töreninden hemen önce yapıldı; İsveç'in eğitim kanalı ile YouTube üzerinden izlenebilir
İlgili video bağlantısı
Devoret'nin Schoelkopf olmadan tek başına öne çıkması bana biraz tuhaf geliyor
UCSB fizik bölümünde zaman geçirirken Profesör Martinis ile tanıştım
Martinis, deneysel fizikçiler arasında bile elektronik ve ölçüm konusunda sıradan bir elektrik mühendisliği mezunundan çok daha fazla bilgiye sahipti
Kendi geliştirdiği devreler, belgeler, CAD dosyaları gibi materyalleri wiki tarzında paylaşıyordu ve elektronik ekipman kontrolü için açık kaynak yazılım da yayımlamıştı
UCSB'nin bir kez daha Nobel almasıyla gurur duyuyorum
Martinis'in Nobel kazandıran çalışmalarının çoğunun NIST'te (ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü, Ticaret Bakanlığı'na bağlı) yapıldığını da belirtmek gerekir
Bu kuantum olgularının ve makroskopik kuantum etkilerinin neden önemli ve ilginç olduğunu anlamak istiyorsanız Anil Ananthaswany'nin “Through Two Doors at Once” kitabını önermek isterim
University of California, Berkeley ile University of Cambridge'in etkileyici Nobel ödüllü mezunlar listesini büyütmeye devam ettiğini görmek güzel
Paris-Sud University adını ilk kez duyuyorum ama bu, o kurumdan çıkan dördüncü Nobel ödüllüsü anlamına geliyor
Eğitim ve araştırma kurumları çoğu zaman birbirinden ayrıdır ve birçok araştırma ile diploma birden fazla üniversite ya da araştırma kurumunun ortaklığıyla yürütülür
Örneğin tek bir laboratuvar 5 okul ve 3 ulusal araştırma enstitüsü tarafından ortaklaşa işletilebilir, öğrenciler de birden fazla kurumun ortak diploma programları aracılığıyla başka okullar adına da aynı anda diploma alabilir
Bu yüzden dışarıdan bakan biri için genel yapıyı anlamak oldukça zordur
Beşerî bilimler tarafından gelen bir sorum var
"Duvara fırlatılan top her zaman geri seker ama mikroskobik dünyadaki parçacıklar bir engelin içinden geçip diğer tarafta ortaya çıkabilir. Buna tünelleme denir"
Bunun gerçekten parçacığın duvara çarpmadan küçük boşluklardan geçmesi anlamına mı geldiğini, yoksa daha da garip bir şey mi olduğunu merak ediyorum
Bu soru hiç de saçma değil
Klasik olarak parçacığın duvarın etrafından bir şekilde dolanıp geçtiğini hayal edebilirsiniz
Ama kuantum mekaniğindeki tünelleme tamamen farklı bir kavramdır
Buradaki "duvar" gerçek bir nesneden çok bir enerji bariyerini ifade eder
Klasik olarak parçacığın bu bariyeri aşacak enerjisi yoksa asla geçemez ama kuantum mekaniğinde parçacık dalga özelliği taşır ve dalga fonksiyonunun genliği bariyer boyunca azalmasına rağmen sıfır olmaz
Bunun sonucunda bariyerin öte tarafında da parçacığın bulunma olasılığı çok küçük de olsa var olur ve gerçekten ölçüm yapıldığında parçacık diğer tarafta tespit edilebilir
Bu Nobel'e temel oluşturan deneylerin olağanüstü yanı, elektron gibi tek bir parçacığın değil, ortak bir makroskopik dalga fonksiyonunu paylaşan çok sayıda parçacığın aynı anda tünellemesinin ölçülmüş olmasıdır
Bunlar, dalga fonksiyonu bariyerin ötesine uzanarak bağlantılı kalan bir "koherent durum" içindeydi; bu yüzden bariyerin öbür tarafında da anlamlı bir olasılık genliği kaldı ve gözlem mümkün oldu
Evet, olan şey daha da tuhaf
Tek bir parçacığın düşük enerjili A durumundan, aradaki yüksek enerjili B durumunu geçip tekrar düşük enerjili C durumuna gitmesi gerektiğini düşünün
Klasik olarak dışarıdan enerji verilmeden A'dan C'ye geçemezdi ama gerçekte parçacığın enerji almadan C'ye adeta ışınlanır gibi geçtiği gözlenir
Bu durumda parçacığın gerçekten B'den geçip geçmediği sorusu ortaya çıkar (pratikte B'den geçmemiş gibi düşünmek gerekir)
Bunun basitleştirilmiş hali "potansiyel bariyer" kavramına benzer
Bir topun bir tepeyi (enerji bariyerini) aşabilmesi için yeterli hıza sahip olması gerektiği gibi, klasik mekanikte de bir parçacığın bariyeri aşması için yeterli enerjiye sahip olması gerekir
Ama kuantumda, enerjisi yetersiz olsa bile dalga fonksiyonu bariyer içinde üstel olarak azalırken sıfır olmaz; dolayısıyla parçacığın öte tarafta görünme olasılığı vardır
Kuantum mekaniğinde bu "topa" (ya da ideal parçacığa) bir dalga fonksiyonu eşlik eder
Bu dalga fonksiyonu hesaplandığında, duvarın diğer tarafında da parçacığın bulunma olasılığının sıfır olmadığı görülür
Daha derin bir açıklama olabilir ama benim anladığım kadarıyla durum bu
Buradaki "tek parçacık", bildiğimiz klasik top gibi bir parçacık değil; duruma göre hem dalga hem parçacık gibi davranan bir "kuantum nesnesi"dir
Gerçekten gizemli bir kavram
Bu sabah New York Times'taki yazıyı da okudum ama pek tatmin edici bulmadım
Bu yüzden daha iyi bilgi bulmak için HN'ye geldim ve gerçekten de daha iyi bir yazı ile daha iyi açıklamalar bulduğum için memnun kaldım
Burada paylaşılan yazı lise düzeyine hitap ediyor ama emekli bir fizik doktoru olarak deneyleri ve teoriyi gayet iyi anlayabildim
Her yıl Nobel Fizik Ödülü'nde hangi çığır açıcı keşfin öne çıkacağını büyük bir merakla bekliyorum
Önümüzdeki dönemde de en son gelişmeleri öğrenmeye devam edecek olmak beni heyecanlandırıyor