В 1984-1985 годах в Калифорнийском университете в Беркли три физика провели эксперименты, которые перенесли странные законы квантового мира из микроскопической реальности субатомных частиц и взаимодействий в макроскопическую область, видимую невооруженным глазом. Обычно квантовые эффекты наблюдаются лишь на уровне элементарных частиц. Если бросить мяч в стену, он отскочит назад. Но одиночная частица может внезапно оказаться по другую сторону барьера, словно пройдя сквозь него. Этот процесс называется квантовым туннелированием.
Нобелевская премия по физике присуждена за создание макроскопических систем, ведущих себя, как квантовые
Нобелевская премия по физике 2025 года присуждена Джону Кларку, , Калифорнийский университет, Беркли, США, Мишелю Деворе и Джону Мартинису, оба Калифорнийский университет, Санта-Барбара, США за серию экспериментов, продемонстрировавших квантовые свойства на макроскопическом уровне. Ученые создали сверхпроводящую электрическую систему размером с ладонь, которая могла туннелировать из одного состояния в другое, словно проходя сквозь твердую стену, и поглощала энергию квантованными порциями, как предсказывает квантовая механика. Открытие показало путь к созданию квантовых компьютеров.
Нобелевская премия по физике 2025. Nobel Prize
Факт о Нобелевский премии. Альфред Нобель в своем завещании не упомянул премию по математике, что породило множество легенд. Самая популярная гласит, что математик Магнус Миттаг-Леффлер был соперником Нобеля в любви, и изобретатель динамита не хотел, чтобы премию получил его конкурент. На самом деле они даже не были знакомы. Есть более прозаичная причина: Нобель считал математику слишком теоретической наукой, далекой от практической пользы человечеству. Математики иногда все-таки получают премии, можно сказать, «контрабандой» — это премии памяти Альфреда Нобеля по экономике. Так советский математик Леонид Канторович получил премию (1975) по экономике за алгоритм линейного программирования, а Джон Нэш — за равновесие Нэша (премия 1994 года). Но это редкие исключения.
Лауреаты Нобелевской премии по физике 2025 года.
Когда вы бросаете мяч в стену, вы можете быть уверенным, что он отскочит обратно. Вы будете крайне удивлены, если мяч вдруг окажется по по другую сторону стены. В квантовой механике это явление называется туннелированием и является именно тем явлением, которое закрепили за квантовой механикой репутацию «странной» науки.
Физики создали электрическую цепь из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолирующим слоем. В сверхпроводнике электроны объединяются в так называемые куперовские пары, что позволяет току течь по проводнику без сопротивления. Все эти пары ведут себя как единая гигантская частица, заполняющая весь контур. Построенная физиками система находилась в состоянии с нулевым напряжением — из-за изолирующего слоя ток не мог протекать по проводнику. Но благодаря квантовому туннелированию система внезапно покидала это состояние, генерируя электрическое напряжение.
Георгий Гамов почти сто лет показал, что туннелирование необходимо для особого типа ядерного распада (альфа-распада). Крошечный кусочек ядра атома вырывается на свободу и оказывается за его пределами.
Для создания эксперимента потребовались десятилетия развития теории и техники. Само явление туннелирования известно с 1928 года, когда советский физик Георгий Гамов понял, что именно оно объясняет распад тяжелых атомных ядер. Без туннелирования альфа-распад был бы невозможен. За открытие куперовских пар Леон Купер получил Нобелевскую премию в 1972 году. Важную роль сыграло открытие эффекта Джозефсона — явления на границе двух сверхпроводников, за которое Брайан Джозефсон получил Нобелевскую премию в 1973 году.
Верхний рисунок: В обычном проводнике электроны сталкиваются друг с другом и с материалом. Средний рисунок: Когда материал становится сверхпроводником, электроны объединяются в пары, пары Купера, и образуют ток, в котором сопротивление отсутствует. Зазор на рисунке обозначает Джозефсоновский переход. Нижний рисунок: Куперовские пары могут вести себя так, как если бы все они были одной частицей, которая заполняющая всю электрическую цепь. Квантовая механика описывает это коллективное состояние с помощью общей волновой функции. Свойства этой волновой функции играют главную роль в эксперименте лауреатов.
Сегодняшние лауреаты измеряли, сколько времени система проводит в состоянии с нулевым напряжением, прежде чем туннелирует из него. Поскольку квантовая механика включает элемент случайности, они провели множество измерений и построили статистические графики — подобно тому, как физики измеряют период полураспада радиоактивных ядер.
Квантовый кот Шредингера становится реальностью
Но главное открытие заключалось в демонстрации квантования энергии. Ученые направляли в систему микроволновое излучение разной длины волны. Некоторые волны поглощались, переводя систему на более высокий энергетический уровень. Оказалось, что состояние с нулевым напряжением длилось меньше, когда система содержала больше энергии — именно так, как предсказывает квантовая механика. Система могла поглощать и испускать энергию только определенными порциями, квантами.
Квантово-механическая система за барьером может иметь различное количество энергии, но поглощать или излучать она может только определенный порции этой энергии. Система — квантована. Туннелирование происходит легче на более высоком энергетическом уровне, чем на более низком, поэтому, по статистике, система с большей энергией удерживается в покое меньше времени, чем система с меньшей энергией.
Эксперимент имеет глубокие последствия для понимания квантовой механики. Ранее макроскопические квантовые эффекты, такие как лазеры или сверхпроводимость, складывались из множества отдельных микроскопических процессов. Здесь же макроскопический эффект — измеримое напряжение — возникал из состояния, которое само по себе было макроскопическим и описывалось общей волновой функцией для миллиардов куперовских пар.
Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис провели эксперимент с использованием сверхпроводящей электрической цепи. Чип, в котором хранилась эта цепь была размером около сантиметра. Ранее туннелирование и квантование энергии изучались в системах, состоящих всего из нескольких частиц, здесь же эти явления проявились в квантовомеханической системе с миллиардами куперовских пар, заполнивших весь сверхпроводник на чипе. Таким образом, эксперимент перенес квантово-механические эффекты из микроскопического масштаба в макроскопический.
Теоретики сравнивают эту систему с мысленным экспериментом Эрвина Шредингера о коте, который одновременно жив и мертв. Шредингер хотел показать абсурдность квантовых свойств на макроуровне. Система из миллиардов куперовских пар на много порядков меньше котенка, но поскольку эксперимент измеряет квантовые свойства системы в целом, для квантового физика это довольно близко к воображаемому коту Шредингера.
Открытие открыло новые возможности для экспериментов и технологий. Макроскопическую квантовую систему можно рассматривать как искусственный атом с кабелями и разъемами. Джон Мартинис впоследствии использовал именно квантование энергии для создания квантового бита (кубита) — единицы информации в квантовом компьютере. Сверхпроводящие цепи сегодня являются одной из ведущих технологий в разработке квантовых компьютеров.
По материалам Nobel Prize.