Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 8 – vyšlo 29. prosince, ročník 23 (2025) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

8/2025

Nobelova cena za makroskopické kvantové jevy v elektronických obvodech

Petr Kulhánek

Nobelova cenaNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2025 činila 11 milionů švédských korun, tj. necelých 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. je považována za nejprestižnější ocenění vůbec. Poprvé byla udělena v roce 1901, kdy první Nobelovu cenu za fyziku převzal Wilhelm Conrad Röntgen – objevitel paprsků X. Udělování má svá pravidla: Oceněna může být maximálně trojice laureátů, nominace na ceny v daném roce musí být podány v průběhu ledna a cena smí být udělena jen žijícím osobnostem. Posmrtně může být udělena jen tehdy, pokud laureát zemřel v období mezi říjnovým vyhlášením cen a jejich předáním dne 10. prosince u příležitosti výročí Nobelova úmrtí. Taková situace ale při udělování Nobelových cen za fyziku zatím nenastala. Ceny nebyly udělovány v době hluboké hospodářské krize a v obdobích válek, konkrétně v letech 1916, 1931, 1934, 1940, 1941 a 1942. Za fyziku bylo do roku 2025 včetně rozděleno celkem 119 cen, z toho 47 cen jedinému nositeli, 33 cen dvojici a 39 cen trojici. Celkem tedy bylo uděleno 230 cen, oceněných fyziků ale bylo jen 229, neboť John Bardeen získal Nobelovu cenu za fyziku dvakrát – poprvé v roce 1956 za spoluobjevení tranzistorového jevu a podruhé v roce 1972 za teoretický popis supravodivosti (takzvanou BCS teoriiBCS teorie – na konci 50. let 20. století vytvořili John Bardeen, Leon Cooper a John Robert Schrieffer teorii supravodivosti založenou na myšlence párování elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Tyto páry elektronů (tzv. Cooperovy páry) se chovají jako bosony a mohou za nízké teploty sdílet přesně stejnou deformaci v krystalické mřížce (fonon). Díky tomu se chovají jako koherentní makroskopická kapalina. Při energiích vyšších než prahová energie je tento koherentní stav narušen teplotními excitacemi o energii kT. Za tuto teorii obdrželi v roce 1972 Nobelovu cenu za fyziku. pojmenovanou podle Bardeena, Coopera a Schrieffera). Také Marie Curieová získala dvě Nobelovy ceny, ale jen jednu za fyziku (1903). Druhou cenu si odnesla v roce 1911 za chemii. Nejmladším nositelem se stal Lawrence Bragg, ktrerý cenu převzal v roce 1915 spolu se svým otcem Williamem za výzkum krystalových struktur pomocí ohybu rentgenových paprsků. Lawrencovi Braggovi bylo při převzetí ceny pouhých 25 roků. Naopak nejstarším nositelem Nobelovy ceny se stal Arthur Ashkin – cenu převzal v roce 2018 ve svých 96 letech za vynález optické pinzetyOptická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší.. Nobelova cena byla v roce 2024 udělena dvěma informatikům, což vyvolalo bouři nevole. Zdůvodnění, že neexistuje Nobelova cena pro informatiku a informatici si ji chtějí také užít, se nesetkalo s příliš velkým pochopením. Letos se Nobelovský výbor vrátil k udělování Nobelovy ceny za fyziku opravdovým fyzikům.

Medaile předávaná při převzetí Nobelovy ceny

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2025 činila 11 milionů švédských korun, tj. necelých 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. Josephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj. SQUID – citlivý magnetometr, kterým se měří velmi slabá magnetická pole za pomoci supravodivé smyčky obsahující Josephsonův spoj. Zařízením lze změřit i extrémně slabá pole až do 5×10–18 T. Název zařízení je zkratkou z anglického „Superconducting Quantum Interference Device“. Samotné slovo „squid“ znamená v češtině krakatice (hlavonožec žijící v oceánech). Kvantronika – vědní obor na pomezí kvantové fyziky a elektroniky, který se zabývá interakcí elektromagnetického záření s látkou na úrovni jednotlivých kvant (fotonů a elektronů). Do tohoto oboru spadají lasery a masery, vývoj qubitů pro kvantové počítače, kvantová kryptografie, kvantové tečky, nanodráty a mnohé další jevy a různá kvantová zařízení.

Kvantové jevy v elektronických obvodech

Kvantové jevy máme většinou spojené s mikrosvětem. Málokdo si uvědomuje, že kvantové chování se odráží i v makrosvětě. Pouhá pevnost předmětů. kterých se dotýkáme, je důsledkem kvantových vazeb mezi atomy a molekulami. Na největších škálách pozorujeme zrychlenou expanzi vesmíru. I ta se dnes zdá být důsledkem kvantových procesů ve vakuu. V letech 1984 až 1985 provedli John Clarke, Michel Devoret a John Martinis na Kalifornské univerzitě v Berkeley (UCBUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873.) přelomový experiment. Zkoumali supravodivý elektronický obvod, jehož součástí byl Josephsonův spojJosephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj. – dva supravodiče oddělené tenkou vrstvou izolantu. Supravodiče mají nulový odpor a elektrický proud v nich teče i bez přítomnosti napětí. Josephsonův spoj by měl průchodu elektronů zabránit. Část z nich ale spojem prochází díky tunelovému jevu. Vzhledem k pravděpodobnostnímu chování objektů mikrosvěta existuje malá, ale nenulová pravděpodobnost, že se částice vyskytuje i na druhé straně bariéry, tedy že jí prošla. Elektrický proud prochází supravodivým obvodem i přes nevodivou část reprezentovanou Jospehsonovým spojem. Procházející elektrony nejsou lokalizovány, jsou rozprostřeny v celém obvodu a tvoří jeden jediný makroskopický kvantový systém. Jejich průchod spojem se projeví jako nenulové napětí, které tento průchod umožní, i když není supravodičům vlastní. Clark, Devoret a Martinis v experimentu prokázali, že je energie této populace elektronů kvantovaná. Poprvé tak bylo kvantové chování pozorováno na tak makroskopickém objektu, jakým je elektrický obvod. Experimenty s Jospehsonovým spojem umožnily návrh nového typu qubitůQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci. (viz AB 38/2017) a umožnili hlubší pochopení kvantových procesů v makrosvětě. John Clarke, Michel Devoret a John Martinis za svou práci obdrželi v roce 2025 Nobelovu cenu za fyziku.

Snímek Josephsonova spoje pořízený rastrovacím elektronovým mikroskopem SEM.
Zdroj: Walther-Meissner Institute, Munich Quantum Valley.

John Clarke (*1942)

John Carke stojící před zvětšeným obrazem supravodivého
kvantového senzoru SQUID. Zdroj: UCB.

Britský experimentální fyzik a emeritní profesor Kalifornské univerzity v Berkeley. Zabývá se zejména supravodivostí a je považován za otce kvantové supravodivé elektroniky. Studoval v Cambridge, kde se i narodil. Jeho doktorskou práci ovlivnil Brian Jospehson, který objevil Josephsonův jevJosephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj.. Po dokončení doktorátu získal postdoktorské místo na Kalifornské univerzitě v Berkeley UCBUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873.). Od roku 1969 pracoval také v Lawrencově národní laboratoři v Berkeley (LBNLLBNL – Lawrence Berkeley National Laboratory. Jedna z nejproslulejších světových laboratoří založená v roce 1931 Ernestem Orlando Lawrencem, nositelem Nobelovy ceny za fyziku pro rok 1939 za vynález cyklotronu. Laboratoř je řízena Kalifornskou univerzitou a dodnes v ní pracovalo 12 nositelů Nobelovy ceny.). Vyvíjel zejména kvantovou elektroniku (SQUIDSQUID – citlivý magnetometr, kterým se měří velmi slabá magnetická pole za pomoci supravodivé smyčky obsahující Josephsonův spoj. Zařízením lze změřit i extrémně slabá pole až do 5×10^–18 T. Název zařízení je zkratkou z anglického „Superconducting Quantum Interference Device“. Samotné slovo „squid“ znamená v češtině krakatice (hlavonožec žijící v oceánech).) a kvantové senzory magnetického pole. Prováděl experimenty s kvantovým tunelováním přes Josephsonův spoj, které ukázaly existenci kvantových jevů v makroskopických podmínkách elektronických obvodů. Je držitelem řady cen, například Comstockovy ceny, Miciovy ceny nebo Hughesovy medaile. V roce 2025 se stal spolu s Michelem Devoretem a Johnem Martinisem nositelem Nobelovy ceny za fyziku.

Michel Henri Devoret (*1953)

Michel Henri Devoret u kvantového počítače. Zdroj: X/EtienneKlein, Sequoia.

Francouzsko-americký fyzik, vyvinul několik supravodivých architektur pro kvantové počítačeKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů.. Narodil se a studoval ve Francii, doktorát dělal v CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique et aux énergies alternatives). Postdoktorkou pozici dostal ve skupině Johna Clarka na Kalifornské univerzitě v Berkeley (UCBUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873.). V roce 1985 zde poprvé pozorovali kvantování energie na Josephsonově spojiJosephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj.. Poté se vrátil do Francie, kde v CEA založil skupinu kvantronikyKvantronika – vědní obor na pomezí kvantové fyziky a elektroniky, který se zabývá interakcí elektromagnetického záření s látkou na úrovni jednotlivých kvant (fotonů a elektronů). Do tohoto oboru spadají lasery a masery, vývoj qubitů pro kvantové počítače, kvantová kryptografie, kvantové tečky, nanodráty a mnohé další jevy a různá kvantová zařízení. zabývající se kvantovými jevy v elektronických zařízeních. V roce 2002 se stal profesorem Yalské univerzity, kde se zabýval aplikacemi kvantroniky pro kvantové počítače a vyvíjel specializované qubityQubit – kvantová verze bitu neboli kvantový bit, základní jednotka informace podléhající kvantové logice. Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Element kvantové informace zavedl Benjamin Schumacher roku 1995. Na qubit lze také pohlížet jako na virtuální částici a v analogii k antičásticím lze zavést rovněž antiqubit nesoucí zápornou informaci.. Získal prestižní francouzskou cenu Prix de la Couronne Française, Ampérovu cenu, Descartovu-Huygensovu cenu, evropskou cenu EPS CMD a řadu dalších ocenění. V roce 2025 obdržel spolu s Johnem Clarkem a Johnem Martinisem Nobelovu cenu za fyziku.

John Matthew Martinis (*1958)

John Metthew Martinis ve svém obývacím pokoji v Santa Barbaře. Zdroj: Tovima.

Americký fyzik a profesor fyziky na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře. Vedl tým, který vyvíjel supravodivý kvantový počítačKvantový počítač – počítač využívající k zápisu informace kvantově mechanické vlastnosti částic, například spin elektronů, spin atomových jader nebo jiné vlastnosti kvantově se chovajících objektů. Kvantový počítač nese současně informaci o všech možných hodnotách kvantované veličiny, a tím provádí paralelně výpočet všech možností, které mohou nastat. Výpočet je mnohonásobně efektivnější než u klasického počítače. Základní jednotka informace se nazývá qubit (kvantový bit). Zatím jsou kvantové počítače ve stádiu ověřování principů. v laboratoři Google Quantum AI, která vznikla na základě spolupráce společnosti Google a Kaliforské univerzity. S procesorem Sycamore prokázali v roce 2019 poprvé kvantovou nadřazenost (skutečnost, že kvantový počítač dokáže vyřešit problém, který nelze vyřešit klasickým počítačem). Studoval na Kalifornské univerzitě v Berkeley (UCBUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873.), jeho doktorským školitelem byl John Clarke. Na postdoktorské pozici zde byl v té době Michel Devoret. V roce 1985 provedl spolu s Clarkem a Devoretem přelomový experiment, který demonstroval kvantování energie elektronů tunelovaných Josephsonovým spojemJosephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj.. Je držitelem ceny Fritz London Memorial Prize a ceny Johna Stewarta Bella. V roce 2025 získal spolu s Johnem Clarkem a Michelem Devoretem Nobelovu cenu za fyziku. 

Odkazy