Profesor UBB: Descoperirile premianților Nobel în fizică, aplicații în criptografia cuantică. Nu pot fi interceptate comunicații

Academia Regală Suedeză de Științe a acordat, recent, Premiul Nobel pentru Fizică 2025 lui John Clarke, Michel H. Devoret și John M. Martinis „pentru descoperirea tunelării cuantice macroscopice și a cuantificării energiei într-un circuit electric”.

Prof. dr. ing. habil. Coriolan Tiușan de la Facultatea de Fizică a Universității ”Babeș-Bolyai” (UBB) Cluj-Napoca a explicat pentru Cluj24 că decernarea vine într-un context absolut special, în condițiile în care, în iunie 2024, Adunarea Generală a Națiunilor Unite a declarat 2025 ca Anul Internațional al Științei și Tehnologiei Cuantice (IYQ) pentru a marca 100 de ani de mecanică cuantică.

Mai precis de când fizicienii Werner Heisenberg, Max Born și matematicianul Pascal Jordan au dezvoltat formalismul matricial al mecanicii cuantice, respectiv fizicianul Erwin Schrödinger pe cel ondulatoriu.

”Domeniul Nobelului este legat de un fenomen absolut straniu, fără echivalent clasic si anume tunelarea cuantică. Acest fenomen descrie abilitatea unei particule cuantice de a trece printr-o barieră de energie în loc să fie respinsă, așa cum s-ar întâmpla în lumea obișnuită cu o minge care lovește un zid. Practic, particula ce <<lovește>> bariera <<dispare>> și  <<reapare>> dincolo de barieră fără să o traverseze în sensul obișnuit. Totuși, în mod normal, atunci când vorbim despre sisteme constituite din foarte multe particule, adică obiecte macroscopice, efectele cuantice devin invizibile.

În lumea de zi cu zi, mingea care lovește un zid nu va trece prin el, ci va ricoșa înapoi, exact cum ne spune fizica clasică și experiența noastră firească.

Cu toate acestea, experimentele laureaților Nobel au arătat că este posibil să observăm și să controlăm efecte cuantice chiar și în sisteme mai mari, macroscopice, făcând legătura între lumea cuantică și cea pe care o experimentăm zilnic.

Deși descoperirile laureaților au fost realizate în urmă cu patru decenii, impactul lor s-a dovedit remarcabil de-a lungul timpului. Ele au deschis drumul către tehnologii cuantice de vârf, precum calculatoarele cuantice, criptografia cuantică și senzorii ultra-sensibili”, a afirmat profesorul clujean.

Cercetător de 27 de ani

Potrivit acestuia, la momentul acelor descoperiri, cel mai tânăr dintre cercetători, John M. Martinis, avea doar 27 de ani și era doctorand, devenind motorul unei echipe conduse de îndrumătorul său, profesorul John Clarke (43 de ani la acea vreme), alături de Michel Devoret, un cercetător postdoctorand francez de 32 de ani, care a adus contribuții conceptuale esențiale.

Cercetările lor vizau o problemă fundamentală a fizicii cuantice: dacă legile cuantice descriu comportamentul obiectelor extrem de mici, precum atomii și particulele subatomice, cât de mare poate fi un sistem fizic pentru ca efectele mecanicii cuantice să rămână vizibile?

Introducerea tezei de doctorat a lui Martinis sintetiza perfect această provocare: „Oare variabilele macroscopice respectă mecanica cuantică? Scopul acestei teze este de a aborda această întrebare printr-un test experimental”.

”În experimentele efectuate, laureații au realizat un circuit compus din materiale supraconductoare. Răcite până aproape de zero absolut (-273,15 °C), aceste materiale își pierd complet rezistența electrică, deoarece electronii care transportă curentul se organizează coerent în perechi (numite perechi Cooper) și se deplasează fără a se mai ciocni de ionii rețelei cristaline, principala sursă a rezistenței electrice.

Într-un punct al unei bucle minuscule dintr-un astfel de material supraconductor, se află o barieră dintr-un material izolator extrem de subțire, de aproximativ o sută de mii de ori mai subțire decât grosimea unui fir de păr uman.

Această discontinuitate creează un mic circuit numit joncțiune Josephson, un element care a devenit astăzi <<piesa de bază>> a circuitelor cuantice și a qubiților folosiți în calculatoarele cuantice. Experimentele au arătat pentru prima dată că, în această joncțiune, milioane sau chiar miliarde de perechi de electroni pot <<străbate>> bariera izolatoare, nu printr-o cale clasică, ci prin acel fenomen straniu de tunelare cuantică.

Toate aceste perechi de electroni acționează împreună ca un singur ansamblu cuantic uriaș sau macroscopic, chiar și atunci când nu există o tensiune electrică aplicată. Ceea ce este și mai fascinant este faptul că undele cuantice asociate electronilor din cele două părți ale barierei pot interfera între ele, iar acest efect poate fi controlat printr-un câmp magnetic sau o mică tensiune externă.

În plus, cercetătorii au descoperit că, deși vorbim despre un obiect macroscopic, vizibil la scară umană, circuitul supraconductor are nivele de energie discrete, exact ca atomii. Cu alte cuvinte, se comportă ca un <<atom artificial>>, făcând legătura directă între lumea vizibilă și cea cuantică, invizibilă”, a subliniat Coriolan Tiușan.

Implicații majore în criptografia cuantică

Acesta a precizat că descoperirea celor trei laureați Nobel are implicații majore pentru tehnologiile viitorului. Astfel, atomii artificiali realizați pe baza circuitelor supraconductoare stau astăzi la baza computerelor cuantice, unde unitățile de calcul, numite qubiți, funcționează tocmai datorită fenomenelor de tunelare și cuantificare a energiei.

În plus, progresul din acest domeniu consolidează calea către criptografie cuantică, capabilă să asigure comunicații imposibil de interceptat, și către senzori cuantici extrem de sensibili, folosiți pentru detectarea precisă a câmpurilor magnetice, gravitaționale sau chiar a semnalelor biologice. Experimentele recompensate prin premiul Nobel arată că efectele cuantice pot fi controlate la scară macroscopică, aducând mai aproape de realitate tehnologii cândva considerate science-fiction,  de la computere ultrarapide și rețele securizate, până la instrumente medicale și științifice de o precizie fără precedent.

”În istoria Fizicii, nu este pentru prima dată când rezultate dintr-o teză de doctorat sunt recompensate cu un premiul Nobel. În 1924, fizicianul francez Louis de Broglie își susținea teza de doctorat la Facultatea de Științe a Universității din Paris, în fata unui juriu din care făceau parte Paul Langevin și Jean Perrin.

Ipoteza formulată de Louis de Broglie era una revoluționară: materia are o natură duală, putând să se manifeste atât ca particulă, cât și ca undă, în funcție de tipul de experiment realizat.

Comisia, cu o doză de scepticism, decide să ceară părerea lui Albert Einstein. Acesta, nu doar că apreciază ideea ca fiind genială, ci declară cu convingere că rezultatul ar merita mai curând un Premiu Nobel decât un simplu titlu de doctor.

Dealtfel, premiul Nobel va fi decernat lui de Broglie câțiva ani mai tărziu, în 1929, după confirmarea experimentală în 1927 prin experimentele de difracție a electronilor pe cristale realizate de Davisson și Germer.

Alături de alte ipoteze fondatoare  formulate de către alți fizicieni celebrii: Max Planck, Albert Einstein și Niels Bohr, ipoteza lui de Broglie reprezintă una dintre cărămizile esențiale ale mecanicii cuantice, punând bazele înțelegerii naturii duale a materiei și a comportamentului cuantic al particulelor”, a mai explicat fizicianul de la UBB.

Workshop la Cluj despre mecanica cuantică

Coriolan Tiușan a menționat că, în contextul Anului Internațional al Științei și Tehnologiei Cuantice, Facultatea de Fizică a Universității” Babeș-Bolyai” în colaborare cu Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice şi Moleculare INCDTIM Cluj-Napoca, va organiza în perioada următoare un workshop cu tema: ”100 de ani de mecanică cuantică, evoluție, direcții și tehnologii cuantice mature și emergente”.

Workshopul va explora, dintr-o perspectivă cronologică, influența majoră pe care mecanica cuantică a exercitat-o în ultimul secol atât asupra modului în care înțelegem și percepem realitatea, cât și asupra dezvoltărilor tehnologice.

Evenimentul va reuni cercetători de prestigiu din țară și străinătate cu implicați în domenii relevante ce vizează atât aspecte fundamentale cât și aplicații tehnologice convenționale sau direcții emergente fundamentate pe concepte cuantice.

Workshopul va include și prezentări dedicate rolului pe care mecanica cuantică îl are și îl va avea în viitor asupra cunoașterii și dezvoltătii societății, în paralel cu dezvoltarea conceptelor legate de inteligența artificială, a tehnologiilor neuromorfice și neuroștiințelor urmărind stimularea unei viziuni integrate asupra modului în care tehnologiile cuantice pot răspunde provocărilor emergente ale societății viitoare.

(Prof. dr. ing. habil. Coriolan Viorel Tiușan predă la Departamentul de Fizica Stării Condensate şi a Tehnologiilor Avansate din cadrul Facultății de Fizică a UBB Cluj-Napoca. Este cercetător științific senior la Centrul Național al Cercetării Științifice (CNRS) – Franța)