Tänk dig att du står och kastar en boll mot en vägg. Bollen studsar mot väggen och tillbaka till dig. Du kastar igen, tio, hundra, tusentals gånger. Varje gång studsar bollen tillbaka.

I partiklarnas kvantmekaniska värld kan det fungera annorlunda. När en partikel stöter på en barriär kan den genomföra ett konststycke som är omöjligt för bollen: partikeln färdas tvärs genom barriären. Detta kallas för kvantmekanisk tunnling. Fenomenet analyserades teoretiskt i slutet av 1920-talet för att förstå hur partiklar kunde röra sig genom olika barriärer, som de enligt den klassiska fysikens lagar inte ska kunna göra. Enligt kvantmekaniken finns det alltid en viss sannolikhet för att en partikel kan befinna sig ”på andra sidan” av en barriär, eftersom partikelns vågfunktion inte är helt noll där. Detta sker exempelvis i solens inre, när två protoner kan tunnla sig genom den elektriska barriären som förhindrar dem att komma alltför nära varandra. Därefter kan de smälta samman och solens fusion fortgå. Även radioaktivt sönderfall sker då partiklar kan tunnla genom den barriär som skapas av kärnkraften inuti en atomkärna.

I mitten av 1980-talet genomförde forskarna John Clarke, Michel H. Devoret och John M. Martinis en serie experiment där de fick miljarder partiklar att på samma gång tunnla mellan två tillstånd. Denna bedrift belönades med 2025 års Nobelpris i fysik.

– Detta var milt uttryckt mitt livs största överraskning. Vi insåg aldrig att detta skulle kunna ligga till grund för ett Nobelpris, säger pristagaren John Clarke på telefon under Kungl. Vetenskapsakademiens tillkännagivande.

Tack vare de tre pristagarnas forskning blev det möjligt att uppmäta kvantmekanisk tunnling och andra makroskopiska effekter i större föremål, ”stora nog att röra med ens lortiga fingrar” som de uttryckte det i tidskriften Science 1988.

För att lyckas behövde de använda ett material som uppvisar märkliga och oväntade egenskaper: en supraledare.

I en elledning färdas miljarder och åter miljarder elektroner som leder en ström. De krockar med varandra, friktion uppstår och värme avges. Därför krävs en spänning för att leda strömmen. Hur mycket spänning som behövs beror på ledningens motstånd, det vill säga hur mycket friktion som skapas då elektronerna väller fram.

År 1911 kylde den nederländske fysikern Heike Kamerlingh Onnes kvicksilver till -269 grader Celsius. Han upptäckte då att det elektriska motståndet helt försvann. En ström kunde passera kvicksilvret utan att någon spänning behövdes. Onnes döpte fenomenet till supraledning och belönades med Nobelpriset i fysik år 1913 för sina experiment.

Albert Einstein och flera andra försökte förgäves att förstå hur en supraledare kunde ha en ström utan något motstånd. Först år 1957 lyckades John Bardeen, Leon Cooper och Robert Schrieffer förklara vad som skedde på den mikroskopiska nivån i en supraledare, vilket ledde till ett Nobelpris i fysik år 1972.

Normalt sett utövar elektronerna i en ledare en repellerande verkan på varandra. Men vid tillräckligt låg temperatur går elektronerna ihop och bildar par. Dessa par länkas i sin tur samman i en större kvantmekanisk enhet. Det är som att alla elektroner krokar arm med varandra i en stor synkroniserad dans. Tillsammans rör de sig smidigt och koordinerat fram genom ledaren. Därför uppstår inget motstånd.

– Det innebär att ingen elektrisk energi går förlorad. Denna egenskap används flitigt inom både forskning och tillämpningar, till exempel för att transportera stora strömmar som genererar stora magnetfält. Vid sjukhus utnyttjas detta för magnetisk resonanstomografi. Dessutom kan supraledare levitera i magnetiska fält, förklarar Witlef Wieczorek, professor i fysik och avdelningschef för kvantteknologi, mikroteknologi och nanovetenskap vid Chalmers tekniska högskola.

Elektronernas synkroniserade beteende gör att kvantmekaniska effekter som i vanliga fall endast inbegriper enskilda partiklar nu uppvisas av miljarder partiklar samtidigt. I mitten av 1980-talet experimenterade årets Nobelpristagare med supraledarnas makroskopiska kvantmekaniska egenskaper i ett laboratorium vid University of California, Berkeley. John M. Martinis var doktorand för John Clarke, och Michel H. Devoret en forskare från Paris.

I supraledaren placerade de en liten isolerande barriär som kallas Josephsonövergång, vars introduktion belönades med Nobelpriset år 1973. Denna ledde till att elektronernas gemensamma vågfunktion kunde befinna sig i två möjliga tillstånd: ett där det inte fanns någon elektrisk spänning, och ett där det fanns en liten spänning. De kunde sedan mäta hur det supraledande systemet tunnlade från det spänningslösa tillståndet till det med en spänning. Tunnlingen skedde över en energibarriär som uppstod i hela kretsen på grund av Josephson­övergången.

– Det här experimentet visade tydligt att ett makroskopiskt antal elektronpar kan tunnla genom en barriär. Experimentet behövde utföras vid ultralåga temperaturer med mycket rena prover och på ett noggrant sätt, säger Witlef Wieczorek.

När forskarna bestrålade systemet med mikrovågor kunde de dessutom se att det hade diskreta energinivåer på exakt ett sådant sätt som kvantmekaniken förutsäger för enskilda partiklar.

– Jag hör ofta det traditionella påståendet att kvantmekanik är fysiken som beskriver små ting, som atomer. Men vad vi visade var att det är en mycket mer generell och användbar teori, bortom hur atomer och andra system fungerar. De kretsar som vi skapar går att hålla i handen. Kretsen har flera miljarder atomer och följer kvantmekanikens lagar, sa John M. Martinis på en presskonferens ett par dagar efter tillkännagivandet av årets pris.

Experimentet bygger på flera personers arbete, varav, som vi sett, flera har belönats med Nobelpris tidigare. Pristagaren John Clarke lyfter i synnerhet fram fysikern Anthony J. Leggetts forskning om supraledning som avgörande för att de skulle kunna göra sina experiment. Leggett hade dessutom redan på 1980-talet påpekat att experimenten med supraledare kunde kasta ett nytt ljus på en av kvantmekanikens märkligaste paradoxer: Schrödingers katt.

– Schrödingers katt är ett tankeexperiment som utarbetades 1935. I grund och botten tillåter kvantmekaniken en katt att vara död och levande samtidigt, vilket är väldigt förbryllande, säger Witlef Wieczorek.

Edwin Schrödinger föreställde sig en katt som ligger i en låda. Där finns även ett giftigt preparat som utlöses av ett radioaktivt sönderfall. Har ett sönderfall skett är katten död, annars är den vid liv.

Enligt kvantmekaniken kan ett system befinna sig i två tillstånd samtidigt. Först vid en mätning hamnar systemet entydigt i ett av de två möjliga tillstånden. Eftersom det radioaktiva sönderfallet sker via kvantmekaniska processer kommer det efter en viss tid att både befinna sig i tillståndet att ha, och inte ha, sönderfallit. Därför är även katten paradoxalt nog på samma gång död och levande.

Men hur är det möjligt för ett makroskopiskt objekt som en katt att befinna sig i två tillstånd samtidigt? Schrödinger formulerade tankeexperimentet för att visa på vilka märkliga konsekvenser kvantmekaniken tycks leda till. Frågan har varit filosofiskt provokativ men otillgänglig för experiment (den fysiker som försöker sig på något sådant med en riktig katt skulle snabbt bli av med jobbet). Men tack vare supraledare är det möjligt att testa paradoxen med Schrödingers katt i ett laboratorium.

– Experimenten med makroskopisk tunnling gjorde det möjligt att skapa sådana kattliknande tillstånd i supraledande system. Elektronparen är inte döda och levande samtidigt, utan kan i stället färdas i två olika riktningar samtidigt, förklarar Witlef Wieczorek.

Eva Lindroth är professor i fysik vid Stockholms universitet och medlem i Nobelkommittén för fysik. För henne är experimentet oerhört intressant för att det säger någonting om var gränsen går mellan den kvantmekaniska världen och vår vanliga värld.

– På ena sidan är allting suddigt och där finns Schrödingers katt som både är levande och död. På den andra sidan finns den vanliga världen där allting är solitt. Men var går gränsen?

I sitt pressmeddelande lyfter Nobelkommittén fram att den forskning som belönas i år ”har bidragit till utvecklingen av nästa generation av kvantteknik, som kan ge oss redskap som kvantkryptografi, kvantdatorer och kvantsensorer”. Priset är väl tajmat, eftersom kvantmekaniken formulerades för omkring hundra år sedan. Unesco har utropat 2025 till det internationella året för kvant­vetenskap och kvantteknologi.

– Kvantmekaniken betyder jätte­mycket för den finns ju överallt i vår vardag: från LED-ljus och lasrar till dioder och transistorer. Och kvantmekaniken står fortfarande efter hundra år i centrum för den fysikaliska forskningen, säger Eva Lindroth.

– Detta experiment banade väg för många fler fascinerande experiment inom ett forskningsområde som vi numera kallar supraledande kvant­kretsar. Ett viktigt och aktuellt exempel är ambitionen att bygga en kvantdator baserad på sådana kretsar, säger Witlef Wieczorek.

Nobelpristagaren John M. Martinis har arbetat med Google och grundat ett företag för att utveckla sådana kvantdatorer. Vid en presskonferens liknar han de supraledande systemen vid ett slags artificiella atomer fast på makroskopisk nivå, som går att använda för en rad olika ändamål.

– Du kan bygga atomer som är helt annorlunda från något kvantsystem som du kan observera i naturen, säger John M. Martinis.

Den här artikeln bygger delvis på tidigare rapportering på fof.se.