Táto cena predstavuje viac než 20 rokov spolupráce s Ústavom experimentálnej fyziky SAV, tvrdí francúzsky experimentálny fyzik CHRISTOPHE MARCENAT, laureát Medzinárodnej ceny SAV za rok 2025. V rozhovore vysvetľuje, prečo je kvantová fyzika tak ťažko uchopiteľná, aké šance má ľudstvo zostrojiť kvantový počítač, čím sú výnimočné supravodiče a aké miesto v jeho výskume zohrávajú extrémne nízke teploty.
Tento rok putuje Medzinárodná cena SAV do vašich rúk. Ako vnímate takéto ocenenia?
Vedecký pokrok je len zriedka výsledkom úsilia jednotlivca. Zvyčajne ide o kolektívne úsilie istej komunity vedcov a vedkýň, pričom každý z nich prispieva svojimi odbornými znalosťami, nápadmi a zručnosťami. Dokonca aj výnimočné osobnosti ako Einstein svoju prácu posúvali vpred len vďaka spolupráci s mnohými ďalšími vedcami v rámci širšej vedeckej komunity.
Tak ako strom vyžaduje každodennú starostlivosť a opateru, aby rodil ovocie, aj vedecký úspech závisí od nepretržitej spolupráce, zdieľania poznatkov a vzájomnej podpory v rámci vedeckej komunity. Práve tento kolektívny prístup umožňuje prelomové objavy, ktoré by žiaden vedec alebo vedkyňa nedokázali dosiahnuť sami.
V prípade tejto ceny to platí o to viac, lebo predstavuje viac než 20 rokov spolupráce s Ústavom experimentálnej fyziky SAV. A myslím si, že dnes je ešte oveľa dôležitejšie hovoriť o tom, pretože ľudia prestávajú dôverovať vedcom. Vedecké dôkazy v ich očiach už nemajú hodnotu a sú spochybňované.
Na Slovensku čelíme podobnému problému.
V súčasnosti je vedecký skepticizmus rozšírený a stále silnie, čo do veľkej miery podporujú sociálne médiá aj politika. Problém spočíva aj v tom, ako my vedci prezentujeme svoju prácu. Presne a zrozumiteľne komunikovať vedecké výsledky býva často náročné – najmä vtedy, keď výskum ešte len prebieha a jednoznačné odpovede nie sú k dispozícii. Môžeme publikovať v prestížnych časopisoch ako Nature, ale to neodzrkadľuje našu každodennú prácu ani spôsob, akým sa výskum naozaj robí.
V dnešnej rýchlo sa meniacej spoločnosti je pre mňa niekedy ťažké vysvetliť, čím sa zaoberám. Vo fyzike je stále mnoho otázok, na ktoré hľadáme odpoveď. Pracujeme metódou pokusov a omylov – robíme kroky vpred, a ak niečo nefunguje, skúšame inú cestu. Niekedy sa nám podarí dosiahnuť výsledok, inokedy zlyháme. Naša práca je nepretržitý proces.
Lenže keď sa tieto neistoty prezentujú verejnosti, akú reakciu môžeme očakávať? Ľudia si môžu skutočne myslieť, že vedci vlastne nerozumejú svojej práci, a vtedy vzniká priestor na to, aby verili niečomu inému. Napriek tomu si myslím, že je dôležité byť úprimný – priznať, že ešte stále nevieme všetko.
„Dnes sú fyzici schopní používať matematické pojmy kvantovej fyziky a dokonca prakticky manipulovať s kvantovými objektmi, ale hlbší význam zostáva naďalej neuchopiteľný.“
Jedným z takýchto ťažko uchopiteľných pojmov je pravdepodobne aj kvantová fyzika, kvantová revolúcia.
Fyzik Richard Feynman (nositeľ Nobelovej ceny za prácu v oblasti vývoja kvantovej elektrodynamiky z roku 1965, pozn. red.) povedal slávnu vetu: Nikto nerozumie kvantovej fyzike. A mal pravdu – je taká zložitá a odlišná od všetkého, čo poznáme. Dokonca ani študenti, ktorí sa na univerzite špecializujú na fyziku, nezačínajú študovať kvantovú fyziku skôr ako v štvrtom ročníku.
Kvantová fyzika je jednoducho príliš abstraktná a ťažko pochopiteľná. Dnes sú fyzici schopní používať matematické pojmy kvantovej fyziky a dokonca prakticky manipulovať s kvantovými objektmi, ale hlbší význam zostáva naďalej neuchopiteľný.
Samotná teória vznikla pred viac ako sto rokmi s cieľom vysvetliť určité experimenty a vlastnosti. V podstate opisuje svet s časticami, v ktorom kvantové vlastnosti zvyčajne miznú, keď sa systém zväčšuje a interaguje. V tejto oblasti sa veličiny nemôžu meniť plynule – musia sa vyskytovať v malých skokoch. Predstavte si napríklad, že sa k dverám nemôžete jednoducho priblížiť krokom, ale skokmi. Tieto skoky sú však natoľko malé, že ich voľným okom nevidíme.
Čím je ešte kvantová fyzika špecifická?
V kvantovej fyzike neexistuje niečo ako „nesprávna odpoveď“ v tradičnom zmysle slova. Pretože niekedy môže byť odpoveď, ktorá by sa z pohľadu klasickej fyziky zdala absurdná, v skutočnosti správna. Vo fyzike je dôležité pochopiť hranice, za ktorými teória prestáva platiť. Napríklad po tom, čo Einstein predstavil svoju špeciálnu teóriu relativity, sme si uvedomili limity Newtonovej mechaniky – teda že rýchlosť objektu musí zostať nižšia ako rýchlosť svetla. Newtonova teória je preto úplne zrozumiteľná, ale kvantová fyzika nie je. Dodnes úplne nerozumieme tomu, ako prejsť z mikroskopického sveta častíc do každodenného makroskopického sveta.
Bez kvantovej fyziky by sme však neboli schopní pochopiť polovodiče, lasery ani čipy v našich mobilných telefónoch. Dalo by sa povedať, že prvá kvantová revolúcia nám umožnila vysvetliť fyzikálne javy, zatiaľ čo druhá kvantová revolúcia sa zameriava na pokusy o vytvorenie kvantových zariadení a kvantových objektov, ktoré umožnia nové kvantové technológie, ako sú kvantové výpočty, kvantové senzory a kvantová komunikácia.
Niekoľko rokov sa intenzívne hovorí o kvantových počítačoch, o tom, čo všetko by mohli technologicky dokázať. Ako si môžeme predstaviť fungovanie kvantového počítača?
V klasickom počítači alebo čipe sa informácie ukladajú ako bity, ktoré majú hodnotu buď 0, alebo 1. V kvantovej fyzike sa informácie ukladajú v qubitoch alebo kvantových bitoch. Jednou z jedinečných vlastností kvantovej fyziky je, že jeden objekt alebo častica môže existovať vo viacerých stavoch a na viacerých miestach súčasne. To znamená, že sa tu môžem teraz s vami rozprávať a zároveň byť v hoteli a rozprávať sa so svojou ženou.
Alebo si predstavte, že chcete cestovať z bodu A do bodu B a na výber máte desať rôznych trás, pričom len jedna je správna. Čo by ste urobili? Skúsili by ste prvú trasu, a ak by nefungovala, prešli by ste na ďalšiu a tak ďalej. Kvantové počítače však skontrolujú všetky možné trasy naraz, čo im umožňuje nájsť správnu trasu hneď na prvý pokus. Táto jedinečná schopnosť, známa ako kvantová paralelnosť, zásadným spôsobom odlišuje kvantové počítače od klasických a umožňuje im riešiť aj zložité problémy oveľa efektívnejšie.
Myslíte si, že sa podarí v budúcnosti postaviť plnohodnotný kvantový počítač schopný riešiť úlohy, ktoré sú dnes mimo možností klasických počítačov?
Vedecká komunita zostáva v tejto otázke naďalej veľmi rozdelená. Laboratóriá ako IBM a Google už niekoľko rokov vyvíjajú malé kvantové stroje, ale qubity zostávajú aj naďalej nestabilné a extrémne citlivé na vonkajšie vplyvy ako teplota, magnetické pole a vonkajšie poruchy, ktoré spôsobujú, že relatívne rýchlo strácajú informácie.
Začiatkom tohto roka napríklad generálny riaditeľ spoločnosti NVIDIA Jensen Huang vyhlásil, že kvantové počítače nebudú mať praktické využitie najbližších 20 rokov, čo spôsobilo pokles akcií spoločnosti o 40 %.
Nemôžem povedať, že kvantový počítač sa nikdy nezrealizuje, pretože kvantové simulátory už existujú. Ale stále sme ďaleko od plne funkčného kvantového počítača. Preto by moja rada znela: neinvestujte veľké sumy do kvantových technológií – ich vývoj bude trvať ešte dlho.
Supravodič je materiál, ktorý vedie elektrinu s nulovým odporom. To znamená, že elektrický prúd môže prúdiť nekonečne dlho a bez akýchkoľvek strát. Ak nastavíte supravodivý obvod a vrátite sa o sto rokov, prúd v ňom bude naďalej prúdiť bez akýchkoľvek strát.
Existujú aj iné fascinujúce javy supravodivosti spojené s magnetickými poľami, napríklad levitácia. Ide o kvantové stavy, ktoré možno pozorovať voľným okom, no ich pochopenie si vyžaduje celkové porozumenie princípov kvantovej fyziky. A aj keď bola supravodivosť objavená už v roku 1911, trvalo niekoľko desaťročí, kým sa objavilo jej vysvetlenie.
S teóriou supravodivosti BCS prišli v roku 1957 traja fyzici: Bardeen, Cooper a Schrieffer. Za túto prelomovú prácu získali v roku 1972 Nobelovu cenu za fyziku. Vysvetlili vďaka nej, že hoci sa dva elektróny zvyčajne odpudzujú, pretože majú rovnaký náboj, za určitých podmienok sa môžu priťahovať a vytvárať páry, ktoré sa dnes nazývajú Cooperove páry. Tieto páry sú krehké a môžu sa ľahko rozpadnúť, ak teplota stúpne alebo ak sú vystavené príliš silnému magnetickému poľu alebo prúdu. To vedie k obmedzeniam: ku kritickej teplote, kritickému magnetickému poľu a kritickému prúdu.
V roku 1986 bola objavená nová trieda supravodičov, čo vedeckú komunitu veľmi prekvapilo. Napríklad Matthiasove pravidlá predstavujú súbor empirických usmernení, ktoré vyvinul fyzik Bernd T. Matthias v 50. a 60. rokoch 20. storočia, aby pomohol identifikovať a predpovedať supravodivé materiály. Hoci tieto pravidlá neboli nikdy formálne uvedené, zahŕňali napríklad kroky, ako vyhýbať sa magnetickým alebo kyslík obsahujúcim materiálom, vyhýbať sa izolantom, a tiež radu: Držte sa čo najďalej od teoretikov! Táto nová kategória supravodičov porušila všetky pravidlá okrem posledného, pretože sa rýchlo zistilo, že ich kritická teplota sa môže výrazne zvýšiť až na 133 °K.
Čo zaujímavé ste o supravodičoch zistili počas svojej vedeckej kariéry vy?
Uvedomil som si, že fyzika bola pravdepodobne oveľa zaujímavejšia na začiatku 20. storočia než dnes. Vtedy došlo k prelomovým objavom, ktorým dovtedy ľudia vôbec nerozumeli – napríklad objav teórie relativity a kvantovej fyziky. Mám pocit, že dnes sa viac zameriavame na postupné vylepšovanie už známych javov.
„Stále sa ešte len snažíme dosiahnuť supravodivosť pri izbovej teplote.“
Existuje niekoľko aplikácií. Hlavnou výzvou súčasnosti však je, že v mnohých prípadoch sú náklady spojené s kryogénnymi teplotami príliš vysoké. Stále sa ešte len snažíme dosiahnuť supravodivosť pri izbovej teplote. Budúci mesiac sa zúčastním na experimente, ktorý je zameraný na tento cieľ a niektorí odborníci veria, že supravodivosť pri izbovej teplote je na dosah. Nechajme sa teda prekvapiť.
No aj keby sa nám podarilo vyrobiť nové supravodiče v laboratóriu, musíme byť schopní tento proces spoľahlivo replikovať. Aby sme dokázali konzistentne vyrábať vzorky, musíme dokonale pochopiť základnú fyziku. Ešte je pred nami dlhá cesta, kým supravodiče nájdu široké uplatnenie v každodennom živote.
Chcem tiež zdôrazniť, že naša práca patrí do oblasti, ktorú nazývame fundamentálna fyzika. Zameriavame sa na pochopenie základných vlastností fyziky, nie na hľadanie konkrétnych aplikácií. Odborníci, ktorí pracujú v oblasti aplikovanej supravodivosti, sú tí, ktorí sa sústreďujú na výrobu skutočných drôtov, strojov a magnetov. V našom prípade je to ako už spomínaný príbeh o strome: polievame jeho korene, ale nestaráme sa o ovocie. O to sa postará niekto iný.
Odpoveď je jednoduchá: zatiaľ sa v oblasti aplikácií veľa nezmenilo. V prípade kremíka to bol jediný prípad v našej kariére, keď sme pri plánovaní experimentu dokázali predpovedať výsledky, vedeli sme, čo robiť, a všetko bez problémov fungovalo. Domnievam sa však, že článok bol uverejnený v časopise Nature hlavne preto, že šlo o kremík. Práve ten je kľúčovým prvkom, ktorý sa využíva pri výrobe čipov. Hoci našu prácu citovali aj iné vedecké skupiny, nikto odvtedy nezopakoval experimenty s kremíkovou supravodivosťou, čo ma dosť prekvapuje.
V našom experimente bola teplota blízka absolútnej nule, čo nie je dostatočné pre praktické aplikácie. Istý čas sme spolupracovali so skupinou v Grenobli, kde sme pomocou sofistikovaných laserových techník vyrábali supravodič roztavením povrchu kremíka a implantáciou atómov bóru do materiálu. Výskum supravodivého kremíka pokračuje, ale stále existuje len veľmi málo takýchto štúdií zameraných na návrh stavebných blokov pre supravodivú elektroniku, ako je supravodivý kremíkový tranzistor.
Fyzici Peter Samuely a Pavol Szabó z ÚEF SAV prišli do Grenoblu na experiment v laboratóriu s vysokými magnetickými poľami. Keďže sme všetci pracovali na podobných systémoch s použitím rôznych techník, bolo prirodzené, že sa rozvinula diskusia. V roku 2001 strávil Pavol Szabó niekoľko mesiacov v našom laboratóriu a práve v tom čase sa nám podarilo objaviť nový typ supravodiča, ktorý akoby spájal dva supravodiče do jedného.
Vďaka odborným znalostiam Petra Samuelyho a Pavla Szabóa, ktorí sú špecialistami na mikrokontaktovú spektroskopiu, sme rýchlo dosiahli pozoruhodné výsledky a mohli sme ich publikovať. Tento moment znamenal začiatok skvelej spolupráce, ktorá pokračovala, keď sa k nám neskôr pripojili Jozef Kačmarčík a Zuzana Pribulová počas svojich postdoktorandských pobytov.
Táto spolupráca trvá už takmer 25 rokov. Čím je pre vás výnimočná?
Vedci v Košiciach majú dlhoročné skúsenosti v oblasti extrémne nízkych teplôt – niekedy dokonca nižších, ako sú tie, ktoré používame v Grenobli. Spolupráca fungovala na všetkých úrovniach, pretože takéto experimenty zahŕňajú nielen vedcov, ale aj kryogénnych inžinierov a ďalších špecialistov.
Okrem vedeckého aspektu je však dôležitý aj osobný rozmer spolupráce. Nemôžete udržiavať dlhodobú spoluprácu s niekým, koho nerešpektujete, neoceňujete jeho štýl práce alebo nemáte podobné hodnoty. Veľa sme sa od seba navzájom naučili po profesionálnej stránke, ale aj ako ľudia sme sa zblížili a stali sa z nás skutoční priatelia.
„Som experimentátor, ktorý sa vždy snaží posúvať hranice experimentu, aby dosiahol lepšie výsledky.“
Aj vďaka tejto spolupráci ste prispeli k rozvoju unikátnych metód mikrokalorimetrie, ktoré umožňujú štúdium materiálov pri ultranízkych teplotách, vysokých tlakoch a v silnom magnetickom poli. Čo je na týchto experimentoch pre vás najviac náročné a čo, naopak, najviac fascinujúce?
Nie je to kvantová fyzika ani teoretická supravodivosť – toto je oblasť, v ktorej sa skutočne vyznám. Som experimentátor, ktorý sa vždy snaží posúvať hranice experimentu, aby dosiahol lepšie výsledky. Už počas doktorandského štúdia som si uvedomil, že nechcem len stláčať tlačidlá v laboratóriu pri vykonávaní štandardných experimentov. Nechcel som byť súčasťou obrovských projektov v CERN-e alebo vo vesmíre, kde pracujú stovky fyzikov a každý z nich je zodpovedný len za istú malú časť. Chcel som navrhovať svoje vlastné experimenty.
Samozrejme, to vyžaduje schopnosť zvládnuť veľa vecí naraz. Musíte vedieť, ako dosiahnuť nízke teploty, nastaviť špeciálne prístroje, merať extrémne nízke napätia a po zozbieraní údajov porovnať výsledky s hypotézami a teóriou, aby ste zistili, čo je ešte potrebné zmeniť alebo vylepšiť. Takisto na rozdiel od oblastí, ako je napríklad astronómia, kde môžete stráviť desať rokov len prípravou na vyslanie ďalšej sondy na Mars, experimentálne výsledky môžu prísť už o týždeň alebo dva.
Vaša práca v oblasti základného výskumu môže mať v budúcnosti zásadný vplyv na technológie, ktoré si dnes ešte možno ani nevieme predstaviť. Čo by vás potešilo v súvislosti s experimentmi, ktorým sa venujete?
Bolo by pre mňa veľkým potešením, keby som sa ešte za svojho života dožil supravodivosti pri izbovej teplote. O tento cieľ sa snažíme už sto rokov a hoci sa nám to zatiaľ nepodarilo, verím, že je to možné.
Aké sú vaše ďalšie pracovné plány?
V Grenobli máme teraz k dispozícii nový hybridný magnet, ktorý dokáže dosiahnuť vyššiu intenzitu magnetického poľa (42 Tesla) ako doteraz. Pripravujem sa na svoj prvý experiment s týmto magnetom, ktorý sa uskutoční v decembri. Okrem toho sme v Košiciach spoločne vyrobili sondu na meranie merného tepla nových materiálov a neustále pracujeme na jej zdokonaľovaní.
Dr. Christophe Marcenat
Medzinárodne uznávaný francúzsky odborník v oblasti fyziky kvantových materiálov. Študoval fyziku a materiálové vedy na prestížnej École Centrale Paris, doktorát získal v Centre nízkoteplotnej fyziky (CRTBT) v CNRS-Grenoble. Absolvoval výskumné a študijné pobyty v USA, Švajčiarsku, Kanade, Španielsku a Japonsku. Významne prispel k pochopeniu viacerých typov supravodičov, hlavne prostredníctvom vývoja unikátnych mikrokalorimetrických techník, ktoré detegujú základný termodynamický stav materiálov pri ultranízkych teplotách a v extrémne vysokých magnetických poliach. Jeho práca často zahŕňala úzku spoluprácu so skupinou profesora Petra Samuelyho v Centre fyziky nízkych teplôt v rámci Ústavu experimentálnej fyziky SAV v Košiciach. V súčasnosti pracuje pre Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) v Grenobli ako senior expert v oblasti fyziky tuhých látok a pôsobí aj v CNRS Institut Néel v Grenobli vo Francúzsku.
Stanislava Longauerová
Foto: Martin Bystriansky
Časopis Akadémia 5/2025