Prêmio Nobel de Física de 2025
(nobelprize.org)- John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis implementaram fenômenos quânticos tradicionalmente possíveis apenas no domínio microscópico em sistemas grandes o suficiente para caber na mão
- Eles demonstraram diretamente tunelamento quântico macroscópico e quantização de energia em sistemas compostos por várias partículas por meio de circuitos elétricos supercondutores
- Nos experimentos, o sistema muda de estado por meio de tunelamento, absorvendo ou emitindo energia apenas em quantidades específicas
- Esta pesquisa oferece uma compreensão profunda dos efeitos quânticos observáveis em escala macroscópica e de seu significado teórico e experimental
- Esse resultado é uma importante comprovação que serve de base para o desenvolvimento de tecnologias quânticas e para a realização do computador quântico
Propriedades quânticas observadas em escala humana
Os vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2025, John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis, provaram por meio de experimentos que fenômenos peculiares do mundo quântico também aparecem em sistemas grandes o bastante para serem segurados na mão. Os circuitos elétricos supercondutores que eles construíram exibem transições entre estados por tunelamento, como se atravessassem uma parede. Além disso, os circuitos absorvem ou emitem apenas quantidades específicas de energia, exatamente como prevê a mecânica quântica.
Série de experimentos inovadores
- A mecânica quântica explica fenômenos no nível de partículas individuais, mas em fenômenos macroscópicos do cotidiano os efeitos quânticos não aparecem
- No entanto, Clarke, Devoret e Martinis verificaram experimentalmente, em circuitos elétricos feitos de supercondutores, que muitas partículas podem se mover como uma única partícula gigantesca, demonstrando tunelamento quântico macroscópico
- Diferentemente de casos já conhecidos de aplicação do tunelamento quântico, como o decaimento nuclear, esse fenômeno foi confirmado em um sistema no qual bilhões de partículas realizam simultaneamente um movimento sincronizado
- No circuito experimental, foram colocados dois supercondutores e uma fina barreira isolante condutora (Josephson junction), descrevendo o movimento coletivo dos pares de Cooper com uma única função de onda
Mecânica quântica atravessando túneis e fronteiras
- O tunelamento quântico já é um efeito bem conhecido em partículas individuais, mas os laureados mostraram que ele também surge de forma simultânea entre muitas partículas, em escala macroscópica
- Os pares de Cooper ficam ligados em um mesmo estado quântico, podendo ser descritos como uma única partícula gigante e por uma função de onda coletiva
- A Josephson junction é um componente central no estudo de fenômenos quânticos, pois permite experimentos que exploram a interação entre funções de onda e efeitos quânticos macroscópicos por meio da fina região isolante entre dois supercondutores
O desafio experimental do grupo de pesquisa
- John Clarke liderou em Berkeley diversas pesquisas em física sobre supercondutores e Josephson junctions
- Michel Devoret, como pesquisador de pós-doutorado, e John Martinis, como estudante de doutorado, colaboraram com Clarke. Os três conseguiram garantir evidências experimentais de tunelamento quântico macroscópico e realizar medições de alta precisão
- Nos experimentos, uma corrente fraca era aplicada à Josephson junction; primeiro observava-se um estado de 0 volt, e depois de certo tempo registrava-se numericamente a mudança quântica em que uma tensão surgia por tunelamento
- Repetindo o mesmo experimento várias vezes, eles acumularam dados estatísticos e analisaram a distribuição do tempo de espera para o tunelamento, de forma semelhante à medição da meia-vida no decaimento nuclear
Quantização de energia e precisão experimental
- Os resultados mostraram que o conjunto de pares de Cooper provoca mudanças simultâneas de estado de energia como se fosse uma única partícula gigante, confirmando também a quantização de energia, na qual apenas quantidades específicas de energia são absorvidas ou emitidas
- Ao injetar micro-ondas para elevar o sistema a um estado de energia mais alto, observou-se uma redução do tempo de espera para o tunelamento, em concordância com as previsões da mecânica quântica
Significado prático e teórico
- Fenômenos quânticos macroscópicos já conhecidos (por exemplo, laser, supercondutividade e superfluidez) resultam da soma das propriedades quânticas individuais da matéria. Mas este experimento demonstrou que o próprio grande conjunto está em um estado quântico
- Esse experimento pode ser comparado ao experimento mental do gato de Schrödinger, pois mostra que um conjunto com muitas partículas realmente obedece às leis da mecânica quântica
- Estados quânticos macroscópicos servem de base para o desenvolvimento de tecnologias de ponta, como novas plataformas experimentais, incluindo átomos artificiais, e a implementação de qubits em computadores quânticos
- Em especial, com base nesses resultados experimentais, John Martinis também apresentou experimentos de computador quântico que implementam diretamente em circuitos os estados 0 e 1 de um qubit
Conclusão
- O Prêmio Nobel de Física de 2025 foi concedido a Clarke, Devoret e Martinis pela primeira demonstração experimental de tunelamento quântico e quantização de energia em circuitos elétricos macroscópicos
- Esta pesquisa proporcionou um impulso ao avanço experimental e teórico da mecânica quântica e à abertura de novas áreas tecnológicas
Informações adicionais
- Materiais com um contexto científico mais detalhado sobre os Prêmios Nobel deste ano podem ser consultados em www.kva.se e www.nobelprize.org
- Informações sobre coletiva de imprensa, palestras, exposições e mais podem ser encontradas em www.nobelprizemuseum.se
Laureados do Prêmio Nobel de Física de 2025
- John Clarke: nascido em 1942 em Cambridge, Reino Unido; doutorado pela University of Cambridge em 1968; atualmente professor na University of California, Berkeley
- Michel H. Devoret: nascido em 1953 em Paris, França; doutorado pela Paris-Sud University em 1982; atualmente professor na Yale University/University of California, Santa Barbara
- John M. Martinis: nascido em 1958; doutorado pela University of California, Berkeley em 1987; atualmente professor na University of California, Santa Barbara
“Descoberta do tunelamento quântico macroscópico e da quantização de energia em circuitos elétricos”
1 comentários
Comentários do Hacker News
Aprendi eletrônica com um ganhador do Nobel
Na minha trajetória em física e no doutorado, eletrônica analógica foi de longe a disciplina mais difícil e, ao mesmo tempo, mais recompensadora
Lembro de passar a noite inteira no laboratório tentando fazer filtros funcionarem, dormir algumas horas e voltar ao laboratório antes do nascer do sol
Em grande parte isso era por procrastinação, mas ainda assim são lembranças incríveis
O conceito que eu menos conseguia entender naquela época era o de fonte de corrente
Fonte de tensão eu conhecia bem, mas fonte de corrente parecia algum tipo de mágica
Perguntei ao professor Martinis, e parecia que ele não conseguia entender por que eu não conseguia entender
A resposta certa é feedback (controle por realimentação)
Uma boa fonte de tensão também precisa de feedback
O professor estava tão acostumado com feedback que nem mencionou que esse era o ponto central, e eu nunca tinha sequer ouvido falar do próprio conceito de controle
No fim, me candidatei para ser pesquisador de graduação no laboratório dele, mas fui rejeitado
Pessoalmente acho que foi porque eu não entendia o conceito de fonte de corrente, mas também pode ter sido porque me candidatei tarde, ou por causa da nota A- (por procrastinação)
Acabei indo falar com um pesquisador em biofísica e, a partir dali, virei biofísico, seguindo um caminho totalmente diferente
Olhando para trás agora, acho que tive sorte
Eu não fazia ideia de que a biofísica faria parte da minha vida
Claro, talvez também tivesse sido divertido ir para materiais quânticos ou para a área de QI/QC
Hoje estou estudando com Mike and Ike (o livro-texto) e estou achando realmente fascinante
Depois do doutorado, cofundei uma startup de controle industrial e automação
Agora entendo bastante bem feedback e fontes de corrente (demorou, mas no fim aprendi)
(Aliás, também é importante notar que uma boa fonte de tensão ajusta a resistência, e uma boa fonte de corrente ajusta a tensão. Acho que a razão de eu ter achado a fonte de corrente mais difícil foi em grande parte por eu estar acostumado demais com fontes de tensão, como baterias. Na verdade, eu deveria ter abordado isso de forma mais crítica. Também aprendi que, na prática, é relativamente fácil fazer uma fonte de tensão ideal [resistência muito alta], mas uma fonte de corrente ideal [resistência 0] é realmente difícil)
A frase "uma boa fonte de tensão ajusta a resistência, e uma boa fonte de corrente ajusta a tensão" pode causar um pouco de confusão
Queria perguntar se isso quer dizer que a fonte de tensão controla a corrente, e a fonte de corrente controla a tensão (talvez não signifique nada demais, mas fiquei curioso)
Se você fizer uma fonte de corrente ideal ajustada para 50 mA e depois espetar alguém com ela, parece que seria bem assustador
Escrever "entendo bem*" foi um erro de digitação (pena que não dá para corrigir)
Também é possível fazer uma fonte de corrente fixa, ineficiente, sem feedback
Fred Ramsdell ganhou o Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2025 desta vez
Dizem que ele está completamente "off-grid", fazendo trilha, e não consegue ser contatado no momento
Artigo relacionado
Devoret e Martinis também estão de fato levando a engenharia quântica para um novo estágio
Devoret está no Google Quantum AI, e Martinis está na Qolab
Um amigo meu também faz doutorado com Devoret, e eu conheço gente que trabalha com Martinis
Com este Nobel, os dois provavelmente vão receber pedidos para várias palestras convidadas e keynotes, então fico curioso se ainda vou conseguir ver a cara do meu orientador de novo
Palestras convidadas em geral podem ser escolhidas pela própria pessoa, mas existe uma exceção
Pelas regras do Nobel, o laureado precisa obrigatoriamente dar uma palestra em até 6 meses sobre um tema escolhido pela instituição que concede o prêmio
A palestra do Nobel de Física de 2024 (sobre as raízes das redes neurais) também aconteceu logo antes da cerimônia de premiação, e pode ser vista no canal educacional da TV sueca e no YouTube
Link do vídeo relacionado
É um pouco estranho ver Devoret recebendo destaque sozinho, sem Schoelkopf
Passei um tempo no departamento de física da UCSB e conheci o professor Martinis
Entre os físicos experimentais, o professor Martinis sabia muito mais sobre eletrônica e instrumentação do que um formado típico em engenharia elétrica
Ele compartilhava materiais como circuitos, documentação e arquivos CAD que havia desenvolvido em formato de wiki, e também disponibilizava software open source para controle de equipamentos eletrônicos
Tenho orgulho de ver a UCSB ganhar mais um Nobel
Também vale mencionar que a maior parte da pesquisa relacionada ao Nobel de Martinis foi feita no NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA, ligado ao Departamento de Comércio)
Se você quiser entender por que esses fenômenos quânticos e esses efeitos quânticos macroscópicos são importantes e interessantes, eu recomendaria “Through Two Doors at Once”, de Anil Ananthaswany
double slit experiment)É legal ver a University of California, Berkeley e a University of Cambridge continuarem ampliando sua impressionante lista de ex-alunos ganhadores do Nobel
Nunca tinha ouvido falar da Paris-Sud University, mas com isso ela passa a ter seu quarto laureado com o Nobel
Em muitos casos, as instituições de ensino e pesquisa são separadas, e muita pesquisa e muitos diplomas resultam de cooperação entre várias universidades e institutos
Por exemplo, um único laboratório pode ser operado em conjunto por 5 escolas e 3 institutos nacionais de pesquisa, e um estudante pode receber ao mesmo tempo diplomas em nome de diferentes instituições por meio de programas de titulação conjunta
Por isso, para quem está de fora, é difícil entender a estrutura como um todo
Tenho uma pergunta meio de humanas
"Uma bola jogada contra uma parede sempre rebate, mas partículas no mundo microscópico podem simplesmente atravessar um obstáculo e aparecer do outro lado. A isso chamamos tunelamento"
Fiquei curioso se isso significa que a partícula realmente não bate na parede e passa por algum espaço minúsculo, ou se está acontecendo algo ainda mais estranho
A pergunta não é nada boba
Classicamente, dá para imaginar uma partícula desviando e passando pela parede de algum jeito
Mas o tunelamento na mecânica quântica é um conceito completamente diferente
Aqui, a "parede" significa uma barreira de energia, e não necessariamente um objeto físico real
Classicamente, se a partícula não tiver energia para superar essa barreira, ela jamais conseguiria atravessá-la, mas na mecânica quântica a partícula tem natureza ondulatória, e a amplitude da função de onda, embora diminua ao atravessar a barreira, não chega a zero
Como resultado, existe uma probabilidade, ainda que muito pequena, de a partícula existir também do outro lado da barreira, e numa medição ela pode de fato ser encontrada ali
O que há de extraordinário nos experimentos que motivaram este Nobel é que se mediu o tunelamento simultâneo não de uma única partícula, como um elétron, mas de muitas partículas compartilhando uma função de onda macroscópica
Elas estavam em um estado coerente em que a função de onda se conectava por cima da barreira, e por isso permanecia uma amplitude de probabilidade significativa do outro lado, tornando a observação possível
É realmente algo ainda mais estranho
Imagine uma situação em que uma partícula está em um estado de baixa energia A e, para chegar a outro estado de baixa energia C, teria de passar por um estado intermediário B de energia alta
Classicamente, sem fornecimento externo de energia, ela não conseguiria ir de A até C, mas na prática observa-se um fenômeno em que a partícula vai de A para C sem essa energia, quase como se tivesse se teleportado
Isso deixa a dúvida sobre se ela realmente passou por B (na prática, dá para entender como se ela não tivesse passado por B)
Uma versão simplificada desse fenômeno é parecida com a ideia de uma "barreira de potencial"
Assim como uma bola diante de uma colina (barreira de energia) não consegue passar se não tiver velocidade suficiente, na mecânica clássica a partícula precisa ter energia suficiente para superar a barreira
Mas no mundo quântico, mesmo com energia insuficiente, a função de onda decai exponencialmente dentro da barreira sem se tornar exatamente zero, e por isso existe uma probabilidade de a partícula aparecer do outro lado
Na mecânica quântica, uma função de onda acompanha a "bola" (ou a partícula idealizada)
Se você calcular essa função de onda, verá que sobra uma probabilidade não nula de a partícula existir do outro lado da parede
Talvez exista uma explicação mais profunda, mas esse é o entendimento que eu tenho e queria compartilhar
Essa "partícula única" aqui não é uma partícula clássica como a bola que conhecemos, mas um "objeto quântico" que, dependendo da situação, se comporta como onda e como partícula
É de fato um conceito misterioso
Li também a matéria do New York Times hoje de manhã e não fiquei satisfeito
Então entrei no HN procurando informações melhores, e de fato encontrei uma matéria e explicações melhores, o que me deixou satisfeito
O artigo apresentado aqui é em nível de ensino médio, mas, do ponto de vista de um doutor em física aposentado, consegui entender bem tanto o experimento quanto a teoria
Todo ano fico ansioso para ver que descoberta revolucionária vai ganhar destaque no Nobel de Física
Dá empolgação pensar que continuaremos aprendendo sobre os avanços mais recentes