پیشگامان کوانتوم و کاربردهای آن برنده سال 2025 نوبل فیزیک شدند

در هفتم اکتبر ۲۰۲۵، آکادمی سلطنتی علوم سوئد برندگان جایزه نوبل فیزیک را اعلام کرد.

امسال این جایزه به سه فیزیک‌دان برجسته تعلق گرفت: جان کلارک از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی؛ میشل دوورِت از دانشگاه ییل و دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا؛ و جان مارتینیس از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا.

کمیته نوبل دلیل این انتخاب را «کشف پدیده تونل‌زنی مکانیکی کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی و مشاهده کوانتیزاسیون انرژی در یک مدار الکتریکی» اعلام کرد.

این دستاورد که ریشه در آزمایش‌های دهه ۱۹۸۰ دارد، نشان داد اثرات کوانتومی – که پیش‌تر تنها در دنیای اتم‌ها دیده می‌شدند – می‌توانند در ابعادی بزرگ‌تر نیز بروز کنند.

این پژوهش‌ها، که اساس فناوری‌های نوین کوانتومی از جمله کامپیوترهای کوانتومی را بنا نهادند، به هر سه دانشمند جایزه‌ای به ارزش ۱۱ میلیون کرون سوئد (حدود ۱.۲ میلیون دلار آمریکا) بخشیدند.

در صدمین سالگرد شکل‌گیری مکانیک کوانتومی، این جایزه یادآور آن است که نظریه‌ای که قرن پیش جهان فیزیک را دگرگون کرد، هنوز هم سرچشمه شگفتی‌ها و فناوری‌های تازه است.

بیوگرافی برندگان

جان کلارک

جان کلارک، متولد ۱۹۴۲ در کمبریج انگلستان، یکی از پیشگامان فیزیک تجربی کوانتومی است. او پس از دریافت دکترای فیزیک از دانشگاه کمبریج در سال ۱۹۶۸، به دانشگاه کالیفرنیا، برکلی پیوست و در همان‌جا گروهی را پایه‌گذاری کرد که نقش مهمی در تاریخ فیزیک مدرن داشت.

کلارک در دهه ۱۹۸۰ رهبری تیمی را بر عهده داشت که نخستین مدارهای ابررسانای کوانتومی را طراحی و آزمایش کرد.

او بیش از ۵۰۰ مقاله علمی منتشر کرده و جوایز معتبری مانند مدال دیلز-جانسون و عضویت در جامعه سلطنتی لندن را دریافت کرده است.

کلارک پس از اعلام جایزه گفت: «هرگز تصور نمی‌کردم این کار، روزی به جایزه نوبل منجر شود.» او در سخنانش سهم همکاران جوان‌ترش را برجسته دانست و تأکید کرد که «آنچه ما آغاز کردیم، مسیر محاسبات کوانتومی را ممکن ساخت.»

میشل دوورِت

میشل اچ. دوورِت، متولد ۱۹۵۳ در پاریس، نمونه‌ای از پلی میان مهندسی و فیزیک است.

او در سال ۱۹۷۵ از مدرسه ملی عالی مخابرات پاریس فارغ‌التحصیل شد و سپس در دانشگاه پاریس-سود دکترای خود را در فیزیک کوانتومی مولکولی گرفت.

دوورِت امروز استاد فیزیک کاربردی در دانشگاه ییل است و هم‌زمان با دانشگاه سانتا باربارا همکاری دارد.

او مؤسس آزمایشگاه کوانترونیکس (QuLab) در ییل است؛ جایی که پژوهش‌هایش بر مدارهای ابررسانای کوانتومی و کیوبیت‌ها (Qubits) متمرکز است.

دوورِت در کنار کلارک و مارتینیس از نخستین کسانی بود که نشان داد یک مدار الکتریکی می‌تواند مانند اتم، سطوح انرژی گسسته داشته باشد. او در مصاحبه‌ای گفت: «هدف ما در آن زمان، فقط فهمیدن مرز میان کوانتوم و کلاسیک بود، نه ساختن رایانه‌های آینده.»

جان مارتینیس

جان متیو مارتینیس، متولد ۱۹۵۸، از نسل تازه‌ای از فیزیک‌دانان تجربی است که علم و فناوری را به هم پیوند دادند.

او در دانشگاه برکلی تحصیل کرد و در سال ۱۹۸۷ دکترای خود را در فیزیک گرفت.

مارتینیس بعدها به عنوان استاد در دانشگاه سانتا باربارا مشغول شد و سپس هدایت تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل را بر عهده گرفت؛ جایی که در سال ۲۰۱۹، با پردازنده کوانتومی «Sycamore» به نقطه تاریخی برتری کوانتومی (Quantum Supremacy) رسیدند – یعنی انجام محاسبه‌ای که برای سریع‌ترین ابررایانه‌های کلاسیک بیش از ده هزار سال طول می‌کشید.

او اکنون بر گسترش مقیاس سیستم‌های کوانتومی و کاهش خطاهای آن‌ها تمرکز دارد.

آزمایش‌های انقلابی: از نظریه تا واقعیت

آنچه این سه دانشمند انجام دادند، تحقق یکی از جسورانه‌ترین ایده‌های فیزیک نظری بود: اینکه قوانین کوانتومی می‌توانند در دنیایی بزرگ‌تر از اتم‌ها نیز حاکم باشند.

در مکانیک کوانتومی، ذرات می‌توانند از «سدهای انرژی» عبور کنند بدون آنکه انرژی کافی برای عبور کلاسیکی داشته باشند. این پدیده که تونل‌زنی (Quantum Tunneling) نام دارد، مانند توپ کوچکی است که به جای پریدن از دیوار، ناگهان در آن سوی دیوار ظاهر می‌شود.

این رفتار در مقیاس اتمی پیش‌تر شناخته شده بود – مثلاً در واپاشی رادیواکتیو – اما کلارک، دوورِت و مارتینیس نخستین کسانی بودند که آن را در مقیاسی قابل مشاهده با چشم انجام دادند.

آن‌ها از مدارهایی ساخته‌شده از ابررسانا (Superconductor) استفاده کردند؛ موادی که در دمای نزدیک به صفر مطلق مقاومت الکتریکی‌شان به صفر می‌رسد.

در این مدارها، دو ابررسانا را با یک لایه بسیار نازک عایق جدا کردند تا اتصال جوزفسون (Josephson Junction) ایجاد شود؛ ساختاری که در آن جریان الکتریکی می‌تواند از طریق اثر تونل‌زنی عبور کند، بی‌آنکه مانعی را واقعاً بشکافد.

در سال‌های ۱۹۸۴ و ۱۹۸۵، آن‌ها مشاهده کردند که مدار، ناگهان از حالت «صفر ولتاژ» به «دارای ولتاژ» جهش می‌کند – نشانه‌ای از عبور کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی.

علاوه بر این، با اندازه‌گیری دقیق پاسخ مدار به تحریک‌های بیرونی، دریافتند که انرژی مدار تنها در مقادیر گسسته (Quantized) تغییر می‌کند؛ درست مانند آنچه در اتم‌ها رخ می‌دهد.

این نتایج، پیش‌بینی نظری آنتونی لگت (Anthony Leggett) – برنده نوبل ۲۰۰۳ – را تأیید کرد که گفته بود ابررساناها می‌توانند به‌صورت جمعی رفتار کوانتومی نشان دهند.

این آزمایش‌ها مرز میان دنیای کلاسیک و کوانتومی را کمرنگ کردند و نشان دادند که قوانین عجیبی که درون اتم‌ها حاکم است، می‌تواند به دنیای ملموس ما نیز نفوذ کند.

زمینه علمی: از اتم‌ها تا مدارهای ابررسانا

مکانیک کوانتومی در سال ۱۹۲۵ به‌وسیله ورنر هایزنبرگ و اروین شرودینگر بنیان‌گذاری شد و انقلابی در درک ما از طبیعت به وجود آورد.

اما برای دهه‌ها، این نظریه به جهان میکروسکوپی محدود بود.

در دهه ۱۹۶۰، برایان جوزفسون (Brian Josephson) – که خود در سال ۱۹۷۳ برنده نوبل شد – پیش‌بینی کرد که جریان الکتریکی می‌تواند از میان دو ابررسانا بدون عبور الکترون‌های منفرد، تونل بزند.

چند دهه بعد، لگت پیشنهاد کرد که این مدارها شاید بتوانند نشان دهند پدیده‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ‌تر هم امکان‌پذیرند.

تیم کلارک، دوورِت و مارتینیس نخستین کسانی بودند که این فرضیه را به آزمایش گذاشتند و با دقتی بی‌سابقه آن را ثابت کردند.

کار آن‌ها پلی میان نظریه و فناوری ساخت؛ از فیزیک بنیادی تا ابزارهایی که امروز در قلب فناوری کوانتومی قرار دارند.

Energy
  ^                          ________  (Barrier)
  |                         /        \
  |      • (State A)  ____ /          \_______  (Classical path needs more energy)
  |                    \                         • (State B)
  +---------------------\---------------------------------------------> coordinate
                         \_____ TUNNEL _____/
          

Energy
  ^          ──────────  Level 3
  |          ──────────  Level 2
  |          ──────────  Level 1
  |──────────┴──────────┴────────────────────────> state
             |          |
           transitions only between discrete levels