Квант в конце туннеля

Нобелевскую премию по физике в 2025 году присудили за «открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи». Награду разделят ученые из Калифорнийского университета (США) Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис. В 1980-х годах они провели ряд экспериментов, позволивших воспроизвести квантово-механические свойства в макроскопическом масштабе и доказать ряд предсказанных ранее эффектов квантовой механики. Эксперты отмечают, что работы лауреатов открыли возможности для разработки квантовых технологий следующего поколения, например квантовых компьютеров и датчиков. Они напоминают, что этот этап развития науки базировался на целом ряде открытий, совершенных в том числе советскими учеными.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Нобелевская премия по физике присуждена во вторник, 7 октября, исследователям из Калифорнийского института Джону Кларку, Мишель Деворе и Джону Мартинису за «эксперименты на чипе, продемонстрировавшие квантовую физику в действии». В пресс-службе премии поясняют, что в квантовой механике частица проходит через препятствие, используя процесс, называемый туннелированием. Но как только частиц становится много, квантово-механические эффекты в большинстве случаев становятся незначительными. Лауреаты этого года смогли продемонстрировать подобные эффекты в системе достаточно большой, чтобы они были заметны невооруженным глазом.

В 1984 и 1985 годах ученые провели серию экспериментов с электронной цепью, состоящей из сверхпроводников — компонентов, которые могут проводить ток без электрического сопротивления. В цепи эти компоненты были разделены тонким слоем непроводящего материала — такая конструкция называется джозефсоновским переходом. Уточняя и измеряя различные свойства этой цепи, исследователи смогли контролировать и изучать явления, возникающие при прохождении через нее тока. В итоге движущиеся через сверхпроводник заряженные частицы представляли собой систему, которая вела себя так, как если бы это была одна частица, заполняющая всю цепь.

Таким образом, физики смогли продемонстрировать, что система ведет себя именно так, как ранее было предсказано квантовой механикой в теории, и поглощает или излучает только определенное количество энергии.

«Приятно отметить, что квантовая механика, которой уже 100 лет, постоянно преподносит новые сюрпризы,— отметил председатель Нобелевского комитета по физике Олле Эрикссон.— Это также чрезвычайно полезно, поскольку квантовая механика является основой всех цифровых технологий».

«Квантовая механика лежит в основе современной электроники, химии, ядерной физики и многих других наук, имеющих дело с микрообъектами. Выводы этой теории иногда казались парадоксальными даже ее создателям, но неизменно подтверждались экспериментами. Одним из таких выводов была возможность квантового туннелирования: частица может попасть из одной точки в другую, даже если они разделены энергетическим барьером, непреодолимым с точки зрения классической физики,— рассказывает профессор кафедры физики конденсированных сред Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ Константин Катин.— Хотя в наше время туннелирование электронов могут наблюдать даже студенты на лабораторных работах».

Лауреаты этого года, по его словам, «пошли намного дальше»: уже в 1980-е годы они наблюдали туннельный ток через слой диэлектрика, разделяющего два сверхпроводника. «Это тот редкий случай, когда туннелирирование наблюдается не для микроскопической частицы, а для вполне осязаемой системы — совокупности электронов в сверхпроводнике»,— заключает он.

Это открытие является фундаментальным для области квантовой механики, но при этом служит отправной точкой для целого ряда прикладных исследований, добавляет замдиректора Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ Степан Лисовский.

Ученый отмечает, что открытиям лауреатов этого года способствовал целый ряд исследований, проведенных в XX веке: «В том числе на этом поприще прославились и наши соотечественники. Это в первую очередь Лев Ландау, Петр Капица, Виталий Гинзбург и Алексей Абрикосов, также ставшие нобелевскими лауреатами. Скорее всего, на этом открытии нынешних лауреатов уже строят свои исследования будущие обладатели Нобелевки по физике».

Господин Лисовский отмечает, что эксперименты американских ученых позволили на практике соединить теоретические выводы предшественников, но потребовалось несколько десятилетий, чтобы они были усвоены и признаны и на их основе смогли развиваться технологии: «Именно поэтому награда нашла обладателей только спустя 40 лет после экспериментов, что для Нобелевской премии очень частая ситуация». Ученый добавляет, что эти открытия проложили дорогу к созданию квантовых компьютеров, в том числе в России: «В МФТИ мои коллеги уже объединили в одну систему 40 сверхпроводящих кубитов, что, по сути, является мини-компьютером. Сейчас эта область стала особенно активно развиваться — меньше десяти лет назад коллеги сделали только первый кубит. В будущем она будет только расширяться, потому что у квантовых компьютеров большие преимущества в скорости и способах работы по сравнению с обычными. Например, с помощью таких компьютеров будет легче предсказывать и проверять свойства веществ и материалов, а это основа любой современной технологии».

В Нобелевском комитете добавляют, что работа лауреатов «открыла возможности для разработки квантовых технологий следующего поколения, включая помимо квантовых компьютеров квантовую криптографию и датчики». Ученые разделят награду в размере 11 млн шведских крон (чуть меньше $1,2 млн).

Полина Ячменникова