मॉड्यूल 9 · Nobel पुरस्कार जिन्होंने Quantum बनाया

2025 · क्लार्क, डेवोरे और मार्टिनिस: क्वांटम कंप्यूटिंग नोबेल

सरल शब्दों में

7 October 2025 को Royal Swedish Academy of Sciences ने एक ऐसे नोबेल पुरस्कार की घोषणा की, जिसका यह course इंतज़ार कर रहा था। जॉन क्लार्क, मिशेल डेवोरे और जॉन मार्टिनिस ने भौतिकी का पुरस्कार जीता — "for the discovery of macroscopic quantum mechanical tunnelling and energy quantisation in an electric circuit" ("electric circuit में macroscopic quantum mechanical tunnelling और energy quantisation की खोज के लिए")। सीधे शब्दों में: उन्होंने साबित किया कि हाथ में पकड़े जा सकने वाले electric circuit में अरबों electrons एक ही quantum particle की तरह व्यवहार कर सकते हैं — और धरती पर हर superconducting qubit उसी खोज से निकला है।

कहानी शुरू होती है 1984 में, UC Berkeley में जॉन क्लार्क की laboratory में। टीम छोटी थी: खुद क्लार्क — professor और SQUID pioneer; मिशेल डेवोरे — Saclay (France) से आए एक युवा postdoc; और जॉन मार्टिनिस — क्लार्क के अपने PhD student। उस समय की मान्यता थी कि quantum mechanics atoms और photons के लिए है — आपके workbench पर रखा circuit तो classical ही होता है, बस। उन्होंने इस मान्यता को ग़लत साबित करने की ठान ली।

उनका device एक Josephson junction था — दो superconductors, जिनके बीच insulating layer इतनी पतली कि electron pairs सीधे उसके आर-पार tunnel कर सकें — जिसे एक circuit में जोड़ा गया और लगभग 0.01 kelvin तक ठंडा किया गया, deep space से भी ठंडा। उन्होंने दो बातें साबित कीं। पहली: circuit अपनी zero-voltage state से quantum tunnelling से बाहर निकल सकता है — एक ऐसे energy barrier को लीक करके पार कर सकता है, जिसे कोई classical physics पार नहीं कर सकती। दूसरी: circuit के energy levels quantized थे — atom की तरह अलग-अलग सीढ़ियाँ, न कि एक चिकना continuum। उनकी सबसे बड़ी चाल 1984 की एक calibration trick थी, जिसे resonant activation कहते हैं — इसे डैनियल एस्टेव (Saclay, France से आए दूसरे visitor) के साथ मिलकर तैयार किया गया था: उन्होंने microwaves से circuit को उसके energy levels के बीच "गुदगुदाया", जिससे साबित हुआ कि ये levels असली हैं — और data इतना साफ़ था कि वह Caldeira–Leggett tunnelling theory से बिना किसी fitted parameter के मेल खाता था। thermal noise को मारने के लिए उन्होंने ऐसे filters बनाए, जो room temperature और sample के बीच microwave noise को 20 orders of magnitude तक दबा देते थे।

paper trail असामान्य रूप से साफ़ है। 1984 — डेवोरे, मार्टिनिस, एस्टेव और क्लार्क, Physical Review Letters 53, 1260: resonant-activation calibration। 1985 — मार्टिनिस, डेवोरे और क्लार्क, PRL 55, 1543: किसी macroscopic variable के पहले quantized energy levels, 7 October 1985 को प्रकाशित। 1985 — डेवोरे, मार्टिनिस और क्लार्क, PRL 55, 1908: tunnelling rates theory से मेल खाईं, और हर parameter जगह पर ही measure किया गया था। 1988 — Science 239, 992 में क्लार्क और साथियों का synthesis। यह सब UC Berkeley और Lawrence Berkeley Lab में क्लार्क के group में हुआ — मार्टिनिस PhD student के रूप में, डेवोरे Saclay से leave पर आए postdoc के रूप में। नोबेल की घोषणा 7 October 2025 को हुई: मुख्य paper के ठीक चालीस साल बाद, उसी तारीख़ को। यह कोई योजना नहीं थी; committee इस तरह काम नहीं करती। इतिहास का अंकगणित बस ऐसे ही बैठा।

यह quantum computing का नोबेल क्यों है: इस तिकड़ी ने पहला engineerable artificial atom बनाया था — एक ऐसा circuit जिसे आप काग़ज़ पर design कर सकते हैं और जो atom की तरह व्यवहार करता है। सीधी कड़ी Berkeley 1985 से Cooper-pair box (1997) तक, पहले superconducting qubit तक (1999, coherence लगभग 10 nanoseconds — NEC में नाकामुरा, पाश्किन और त्साई), flux qubits तक जो clockwise और anticlockwise persistent currents के superposition रखते हैं (2000), phase qubit और quantronium (2002), circuit QED (2004), transmon (2007, डेवोरे co-author — आज Google और IBM के processors के अंदर यही chip है), और fluxonium जो coherence को milliseconds की ओर धकेल रहा है। इंसानी कड़ी भी उतनी ही सीधी है: मार्टिनिस 2014 में Google से जुड़े और 2019 के quantum supremacy experiment का नेतृत्व किया — 53 transmon qubits ने लगभग 200 seconds में वह कर दिखाया, जिसके लिए classically 10,000 years का अनुमान था — फिर April 2020 में छोड़ दिया और 2022 में superconducting-quantum startup Qolab के co-founder और CTO बने। डेवोरे अब Google Quantum AI में Chief Scientist for Quantum Hardware हैं, और Google की Willow chip (2024/25) ने तब से threshold से नीचे quantum error correction दिखाया है। रास्ते में इस तिकड़ी ने मिलकर Fritz London Memorial Prize (2014) जीता — नोबेल से पहले का क्लासिक संकेत।

पुरस्कार की बात: 7 October 2025 को Stockholm में घोषणा — खोज को Nobel Committee के chair ओल्ले एरिक्सन ने प्रस्तुत किया — और 10 December 2025 को Stockholm Concert Hall में किंग कार्ल XVI गुस्ताफ़ ने प्रदान किया, जहाँ physics presentation speech Professor गोरान जोहानसन ने दी और banquet speech खुद मिशेल डेवोरे ने दी। रकम: 11 million SEK, हर एक को एक-तिहाई — लगभग 3.67 million SEK प्रति व्यक्ति। विजेता: जॉन क्लार्क (जन्म 1942, Cambridge, UK; PhD 1968; SQUID pioneer; Berkeley और Lawrence Berkeley Lab में emeritus) — घोषणा के समय 83 वर्ष; मिशेल डेवोरे (जन्म 1953, Paris; PhD 1982, Paris-Saclay; Yale, UC Santa Barbara, Google Quantum AI) — 72; जॉन मार्टिनिस (जन्म 1958; PhD 1987, Berkeley में क्लार्क के अधीन; UC Santa Barbara) — 67, जो John Stewart Bell Prize (2021) के विजेता भी हैं और Nature's 10 (2019) में भी शामिल रहे। क्लार्क की प्रतिक्रिया: "To put it mildly, it was the surprise of my life… it never occurred to me in any way that this might be the basis of a Nobel Prize." ("संक्षेप में कहूँ तो, यह मेरी ज़िंदगी का सबसे बड़ा आश्चर्य था… मेरे दिमाग़ में कभी आया ही नहीं कि यह किसी नोबेल पुरस्कार का आधार बन सकता है।") इस पुरस्कार से Berkeley Lab से जुड़े नोबेल विजेताओं की संख्या 17 हो गई। और समय: quantum mechanics की शताब्दी (हाइज़ेनबर्ग, 1925) और UN का International Year of Quantum Science and Technology। एक ईमानदार footnote — नोबेल committee ने कभी नहीं कहा कि quantum year ने चुनाव को प्रभावित किया; यह समय-संबंध commentators का अनुमान है, committee का बयान नहीं।

आम ग़लतफ़हमी: "उन्हें qubit के आविष्कार के लिए पुरस्कार मिला।" नहीं — पहला superconducting qubit 1999 में आया, उनके experiment के चौदह साल बाद। उन्होंने electric circuits के quantum behavior की खोज की, जिसने qubits को संभव बनाया। नोबेल खोज को पुरस्कृत करता है, उसके बाद हुई engineering को नहीं।

गहरे उतरें — गणित और सटीकता

Josephson junction दो superconductors होते हैं, जिनके बीच एक पतली insulating barrier होती है। superconductor के अंदर electrons Cooper pairs में बंध जाते हैं, जो एक ही macroscopic quantum phase साझा करते हैं — एक wavefunction से describe किए गए अरबों pairs। pairs barrier के आर-पार tunnel कर सकते हैं, और supercurrent उसके दोनों ओर के phase difference \\(\\delta\\) पर निर्भर करता है: \\(I = I_c \\sin \\delta\\)। यही phase वह macroscopic quantum variable है, जिसे क्लार्क, डेवोरे और मार्टिनिस ने quantized किया।

junction को current \\(I\\) से bias कीजिए, और phase एक washboard potential में रहता है:

\\[U(\\delta) = -E_J \\cos \\delta - \\frac{\\hbar I}{2e}\\,\\delta, \\qquad E_J = \\frac{\\hbar I_c}{2e}.\\]

bias current से washboard को झुकाइए, और phase एक well में बैठ जाता है, plasma frequency \\(\\omega_p\\) पर oscillate करता हुआ। classically वह barrier के ऊपर से सिर्फ thermal activation से निकल सकता है — एक ऐसी rate जो temperature गिरने पर exponentially जम जाती है। quantum-mechanically वह barrier के आर-पार tunnel भी कर सकता है, एक rate (Caldeira–Leggett) पर जो लगभग \\(\\Gamma \\propto \\exp(-\\text{const} \\times \\Delta U / \\hbar \\omega_p)\\) है — temperature से लगभग स्वतंत्र। 1984–85 का सबसे पक्का सबूत: circuit को 0.01 K की ओर ठंडा करने पर मापी गई escape rate गिरना बंद हो गई — thermal activation तो गिरती रहती — और resonant microwaves ने escape को ठीक predicted level spacings पर बढ़ाया, जिससे साबित हुआ कि well के energy levels discrete थे।

junction से qubit तक, एक property सबसे ज़्यादा मायने रखती है: anharmonicity। cosine potential parabola नहीं है, इसलिए उसके levels बराबर दूरी पर नहीं हैं — जिसका मतलब है कि आप उनमें से दो, \\(|0\\rangle\\) और \\(|1\\rangle\\), को बाक़ी को ग़लती से excite किए बिना address कर सकते हैं। superconducting qubit की पूरी चाल यही है। family tree: Cooper-pair box (charge qubit, 1997) \\(E_J/E_C \\sim 1\\) पर काम करता है; transmon (2007) \\(E_J/E_C \\gg 1\\) तक धकेलता है, energy bands को चपटा कर देता है ताकि qubit charge noise को लगभग नोटिस ही न करे — वही breakthrough जिसने processors को व्यावहारिक बनाया; flux qubits (2000) SQUID loops में clockwise और anticlockwise persistent currents के superposition रखते हैं; phase qubit (2002) 1985 के current-biased experiment का सीधा वंशज है; fluxonium (2009) एक बड़ा inductance जोड़ता है और millisecond coherence तक पहुँचता है।

Circuit QED (2004) ने तस्वीर पूरी की: artificial atom को microwave resonator से couple कीजिए, और आप उसे microwave pulses से control और read out कर सकते हैं — हर आधुनिक superconducting processor के अंदर यही architecture है, lab chips से लेकर Google के Sycamore और IBM की Eagle/Heron lines तक।

coherence का सफ़र, एक पंक्ति में: ~10 ns (1999) → microseconds (2002) → 100+ µs (आधुनिक transmons) → milliseconds (fluxonium)। engineering के चालीस साल, एक खोज पर खड़े: a circuit can be a quantum object (एक circuit एक quantum object हो सकता है)।

यह पुरस्कार quantum computing के लिए क्यों मायने रखता है: qubit है ही एक quantized two-level system, और 2025 का पुरस्कार इस खोज के लिए है कि ऐसा system electric circuit में engineer किया जा सकता है। हर बार जब यह course superconducting qubit के लिए \\(|0\\rangle\\) और \\(|1\\rangle\\) लिखता है, तो वह उसी तरह के energy levels इस्तेमाल कर रहा होता है, जिन्हें क्लार्क, डेवोरे और मार्टिनिस ने 1985 में पहली बार resolve किया था।

मुख्य बातें

7 October 2025 को घोषणा — 7 October 1985 के PRL paper (मार्टिनिस, डेवोरे और क्लार्क, PRL 55, 1543) के ठीक 40 साल बाद — citation के साथ "for the discovery of macroscopic quantum mechanical tunnelling and energy quantisation in an electric circuit"; 11M SEK तीनों में बराबर बँटा; 10 December 2025 को Stockholm में प्रदान (presentation speech गोरान जोहानसन ने दी, banquet speech डेवोरे ने)।
paper trail: PRL 53, 1260 (1984, डैनियल एस्टेव के साथ resonant-activation calibration) → PRL 55, 1543 (1985, energy-level quantization) → PRL 55, 1908 (1985, tunnelling rates बनाम theory, कोई fitted parameter नहीं) → Science 239, 992 (1988 synthesis)। filters ने thermal microwave noise को 20 orders of magnitude तक दबाया।
विजेता: जॉन क्लार्क (ज. 1942, Cambridge UK; SQUID pioneer; Berkeley/LBL emeritus) — 83; मिशेल डेवोरे (ज. 1953, Paris; Yale/UCSB; Google Quantum AI में Chief Scientist for Quantum Hardware) — 72; जॉन मार्टिनिस (ज. 1958; UCSB; Google 2014–2020; Qolab co-founder/CTO 2022; John Stewart Bell Prize 2021) — 67।
Berkeley 1984–85: ~0.01 K पर current-biased Josephson junction ने macroscopic quantum tunnelling और quantized energy levels दिखाए — अरबों electrons एक quantum particle की तरह व्यवहार करते हुए।
इस काम ने engineerable artificial atom बनाया: 1999 पहला superconducting qubit (~10 ns) → 2000 flux qubits → 2007 transmon, Google/IBM processors के अंदर की chip (डेवोरे co-author) → fluxonium millisecond coherence की ओर; Google की Willow (2024/25) ने threshold से नीचे error correction दिखाया।
मार्टिनिस ने Google के 2019 quantum supremacy demo का नेतृत्व किया (53 transmons, ~200 s बनाम ~10,000 years); तिकड़ी ने Fritz London Memorial Prize (2014) साझा किया — नोबेल से पहले का संकेत; इस पुरस्कार से Berkeley Lab के associated नोबेल की संख्या 17 हो गई।
समय quantum centenary (1925–2025) और UN International Year of Quantum से टकराया — लेकिन committee ने कभी वर्ष को कारण नहीं बताया; क्लासिक नोबेल देरी तब तक चली जब तक technological payoff undeniable न हो गया।

अपनी समझ परखें

Q1.क्लार्क, डेवोरे और मार्टिनिस ने 1984–85 में क्या साबित किया?

Q2.2007 का transmon इतना बड़ा breakthrough क्यों था?

Q3.1984–85 के नतीजे ने skeptics को क्यों क़ायल किया?

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