2025 - A kvantumfizika éve

Az idei év (2025) a kvantumfizika (kvantumtudomány) éve(International Year of Quantum Science and Technology, IYQ) az ENSZ közgyűlésének döntése alapján.
Hazánkat az Eötvös Loránd Fizikai Társulat képviseli a támogató szervezetek között.

A nyilatkozattal a  kvantummechanika legfontosabb tudományos előrelépéseinek századik évfordulójára emlékeznek, így Werner Heisenberg, Max Born, Pascual Jordan és Erwin Schrödinger munkásságára.
Az előterjesztést 2024. június 7-én fogadták el, ezzel is hangsúlyozva a kvantumtechnológiák globális jelentőségét és jövőbeni fontosságát, illetve a nemzeti alapkutatások és az alkalmazott kutatások és képzések szükségességét ezen a területen.

Történet

Max Planck Nobel-díjas német fizikus a kvantumelmélet megalapozója, Albert Einstein mellett a modern fizika megteremtője. Legnagyobb eredménye (1900) formulájának levezetése és a kvantumelméletet kidolgozása az energia kvantum bevezetésével.
Werner Heisenberg Nobel-díjas német elméleti fizikus
Max Bornnal együtt kidolgozta a kvantummechanikát (1925)
és megfogalmazta a magfizikát forradalmasító határozatlansági elvet (1927).
Erwin Schrödinger Nobel-díjas osztrák elméleti fizikus a kvantumelmélet részeként megalkotta a hullámmechanikát (1925) és híres hullámegyenletét, (a kvantummechanika alapegyenletét).
Neumann János 1932-ben megjelent könyvében fejtette ki a  kvantummechanika matematikai alapelveit.

Egy évtizeddel később a  kvantummechanika alapelveivel sikeresen tárgyalták a kémiai elemek szerkezetét Dimitrij Ivanovics Mengyelejev periódusos rendszere alapján, valamint a kémiai kötés természetét, az atommag héjszerkezetét és a szilárd testek elektromos vezetési tulajdonságait.

A kvantumfizika további vezető tudósainak (Louis Victor Prince de Broglie, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Adrien Maurice Dirac és Max Born) Nobel-díjaival ismerték el a kvantumfizika alapjainak megteremtését.
Az 1945 óta odaítélt fizikai Nobel-díjak háromnegyede az atomi vagy szubatomi jelenségek felfedezéseivel kapcsolatos.

Felhasználás

A  kvantummechanika alapelveinek gyakorlati felhasználása a félvezetőkkel kezdődött.
A tranzisztort 1948. június 17-én szabadalmaztatták és 1956-ban Walter Brattain, William Shockley és John Bardeen megkapta érte a fizikai Nobel-díjat.
(A képen egy 1970-es években gyártott tranzisztor.)

1958-ban Jack St. Clair Kilby és Robert Noyce megalkotta az első integrált áramkört, egy szilícium lapkára több tranzisztor elhelyezésével. Innen jutottunk el a négyzetcentiméterenként milliónyi tranzisztort tartalmazó mai integrált áramkörökig, amelyek lehetővé teszik a mai mobiltelefonok, számítógépek és mindenféle elektronikus kütyük hihetetlen mértékű elterjedését.

Sok további eszközt fejlesztettek ki a  kvantummechanikai ismeretek felhasználásával, például az alábbiakat.
Az alagúteffektust alkalmazó alagútdióda, amit felfedezőjéről, Leo Esakiról Esaki diódának is neveznek.
Ugyanezt a hatást használja ki a pásztázó alagútmikroszkóp (STM, Scanning Tunelling Microscope) is. (Az ábrán az STM működési elve látható.)
Ide sorolható Zsoresz Ivanovics Alfjorov és Herbert Kroemer munkássága, akik 2000-ben megosztott fizikai Nobel-díjat kaptak "a nagysebességű és optoelektronikában használt félvezető heterostruktúrák kifejlesztéséért".

Az utóbbi időben robbanásszerűen elterjedt fehér fényű LED fényforrások kidolgozásában nagy jelentőségű kék fényű LED kidolgozásáért Akaszaki Iszamu és Nakamura Súdzsi 2014-ben kaptak megosztott fizikai Nobel-díjat.

Egy szakáruház LED fényforrás választékának részlete.

Az elektromos áram csaknem veszteségmentes továbbításához és az orvosi képalkotásban, illetve a részecskegyorsítókban és a fúziós reaktorokban használható nagyon nagy erejű elektromágnesek előállításához elengedhetetlen  szupravezetés  elméleti alapelveinek megalkotásán együtt dolgozó John Bardeen, Leon Cooper és Robert Schrieffer 1972-ben kaptak ezért fizikai Nobel-díjat. (A képen az ITER szupravezető elektromágnesei láthatók.)

A lézerek is a kvantummechanika "termékei".
(Az animációban egy kristály alapú lézer működési elve látható.)
 Lézereket számtalan helyen alkalmaznak a szórakoztató elektronikától a telekommunikáción át a szemműtétekig.
Theodore Harold Maiman 1960-ra dolgozta ki az első működő, koherens, látható fényű lézert. Azóta több hullámhossz tartományban fejlesztettek ki koherens fényforrásokat.
A lézer kvantumfizikai működési elvének kidolgozásáért Nyikolaj Gennagyijevics Baszov,  Alekszandr Mihajlovics Prohorov és Charles Hard Townes 1964-ben megosztott fizikai Nobel-díjat kaptak.
A lézerfény anyagszerkezeti vizsgálatokban történő alkalmazásával kapcsolatban Nicolaas Bloembergen és Arthur Leonard Schawlow 1981-ben megosztott fizikai Nobel-díjat kapott a lézerspektroszkópia kidolgozásáért.
2005-ben John Lewis "Jan" Hall és Roy Jay Glauber megosztott fizikai Nobel-díjat kapott "az optikai koherencia kvantumelméletének kidolgozásában való részvételért".
A lézerfény kis szélességű hullámhossz tartományát használják ki példul a nagyon nagy pontosságú az atomórákban. Norman Foster Jr. Ramsey 1989-ban megosztott fizikai Nobel-díjat kapott az ehhez lényeges elkülönített oszcillátor mező módszer találmányáért.

A mobiltelefonok kameráiban és a fényképezőgépekben használatos  CCD - egy képfeldolgozó félvezető  áramkör feltalálásáért Willard Sterling Boyle és  George Elwood Smith 2009-ben megosztott fizikai Nobel-díjat kapott.

Egy régebbi videokamera CCD chipje.

Jövőbeli ígéretek

Részben már a jelenhez tartozik, de a jövő ígéretét jelenti a kvantumszámítógép (a képen) és a kvantumkommunikáció.
Wolfgang Paul és Hans Georg Dehmelt 1989-ben megosztott fizikai Nobel-díjat kapott az ioncsapda (Penning trap) kifejlesztéséért.
Steven Chu, Claude Cohen Tannoudji és William Daniel Phillips 1997-ben megosztott Nobel-díjat kapott a "az atomok lézerfénnyel történő hűtési és csapdázási módszerének kifejlesztéséért".
Ezzel létrejött a kantumszámítás matematikai modelljének alapeleme a kubit.
2012-ben megosztott fizikai Nobel-díjat kapott Serge Haroche és David Jeffrey Wineland az egyedi kvantumrendszerek mérését és manipulációját lehetővé tevő úttörő kísérleti módszerért, létrehozva az áthaladó atom/ion párok összefonódott állapotát.
Alain Aspect, John Francis Clause és Zeilinger, Anton 2022-ben megosztott Nobel-díjat kapott az összefonódott kvantumállapotokkal kapcsolatos kísérleteiért. Megvalósították a titkos kommunikációs kulcs ellophatatlan kvantumos megosztását két távoli partner között.

Felhasznált irodalom