Исследования лауреатов премии этого года однозначно продемонстрировали на макроскопическом уровне два ключевых квантовых эффекта — туннелирование и квантование энергии. Таким образом их работа стерла грань между причудливым миром микроскопических частиц и привычной нам реальностью, показав, что квантовые свойства могут проявляться в системе, которую можно буквально подержать в руках.
Квант на ладони
Обычный мир подчиняется законам классической физики: мячик, брошенный в стену, отскакивает от нее. В мире квантовых частиц правила иные: та же частица с некоторой вероятностью может пройти сквозь стену, как призрак. Это явление называется квантовым туннелированием. Долгое время считалось, что оно применимо только к микроскопическим объектам вроде отдельных электронов или атомных ядер.
Лауреаты Нобелевки по физике 2025 года «масштабировали» это явление до привычного нам макромира. В 1984-1985 годах в Калифорнийском университете в Беркли они создали сверхпроводящую электрическую схему с джозефсоновским контактом — двумя сверхпроводниками, разделенными тонким слоем изолятора (не проводящего ток материала — прим. ред.). В таком контакте электроны объединяются в так называемые куперовские пары, которые теряют свою индивидуальность и начинают вести себя как единое целое.
В итоге в эксперименте коллективная система из миллиардов таких частиц вела себя подобно одному гигантскому квантовому объекту. Исследователи поместили ее в своеобразную «квантовую яму» (с нулевым напряжением), из которой, согласно классической физике, она не могла бы выбраться. Однако система сделала это благодаря макроскопическому квантовому туннелированию. «Мячик», брошенный учеными в глухую стену, проскочил сквозь нее, а приборы зарегистрировали это как внезапное появление напряжения.
«Советский физик Георгий Гамов в 1928 году первым теоретически описал квантовый эффект туннелирования, предсказав возможность прохождения частиц сквозь потенциальный энергетический барьер. И почти через столетие мы видим, что за это дали Нобелевскую премию по физике», — комментирует Алена Мастюкова, научный сотрудник Российского квантового центра и Лаборатории квантовых информационных технологий Университета МИСИС.
Энергетические ступеньки макросистемы
Вторым ключевым достижением лауреатов 2025 года стало наблюдение квантования энергии в этой удивительной макроскопической системе. Согласно квантовой механике, энергия в микроскопических процессах поглощается и излучается дискретными порциями — квантами.
Лауреаты облучали свою схему микроволнами и обнаружили, что она поглощает излучение только на определенных частотах, как бы «перескакивая» с одного энергетического уровня на другой. Это стало прямым доказательством того, что их рукотворная система, длиной всего-то в сантиметр, подчиняется тем же квантовым законам, что и отдельные частицы, такие как атомы.
«Интуитивно квантование — это “лестница”, а не гладкая непрерывная шкала: электрон не изменяет энергию плавно, а осуществляет переходы между уровнями», — комментирует для Науки Mail Дмитрий Чермошенцев, руководитель группы «Росатом Квантовые технологии», заместитель руководителя научной группы «Квантовая оптика» Российского квантового центра.
Он также добавляет, что на этом эффекте работает практически вся современная техника:
- лазеры и мазеры работают за счет индуцированного излучения при инверсии населенностей;
светодиоды и дисплеи излучают цвет, заданный шириной запрещенной зоны;
солнечные панели превращают фотоны в электрический ток, когда энергия света достаточно велика;
магнитно-резонансные методы в медицине используют переходы ядерных спинов в магнитном поле;
атомные часы задают эталон времени по стабильным частотам квантовых переходов;
сканирующий туннельный микроскоп визуализирует атомарные структуры благодаря туннелированию;
квантовые компьютеры и сенсоры управляют отдельными уровнями в сверхпроводниках, массивах ионов и атомов.
«И в этом — суть квантования: строгий порядок микромира становится языком человеческих технологий. […] Инфраструктура XXI века, которая становится точнее, быстрее и чувствительнее именно потому, что создана по законам квантовой природы», — поясняет Чермошенцев.
От кота Шредингера к квантовым компьютерам
Работы Кларка, Деворе и Мартиниса имеют фундаментальное значение для нашего понимания квантовой механики. Теоретики, такие как Энтони Леггетт, получивший своего Нобеля в 2003 году, сравнивают эту систему со знаменитым котом Шредингера — мысленным экспериментом, где кот находится в суперпозиции состояний «жив» и «мертв» одновременно. Хотя квантовое состояние для живого кота наблюдать невозможно, эксперимент лауреатов Нобелевской премии по физике 2025 года показал, что огромные коллективы частиц могут демонстрировать истинно квантовое поведение.
Но открытия ученых стали важной частью не только академической науки – они также имеют и практическое применение. Их сверхпроводящие схемы (джозефсоновский контакт – прим. ред.) можно рассматривать как искусственные атомы, которые можно подключать проводами и использовать в прикладных целях.
Наиболее ярким примером является квантовый компьютер. Джон Мартинис впоследствии использовал продемонстрированное им же квантование энергии для создания сверхпроводящих кубитов — базовых элементов квантовых вычислений, где ноль и единица кодируются разными (квантованными) энергетическими уровнями системы. Сегодня сверхпроводниковые кубиты — одна из основных платформ, на которых создаются квантовые компьютеры. В будущем подобные системы можно будет использовать и для создания ультрачувствительных квантовых сенсоров, которые позволят в недоступных сегодня деталях изучать работу организма человека.
Таким образом, лауреаты 2025 года не только углубили понимание фундаментальных законов природы. Они заложили основу для технологий будущего, подарив физикам всего мира «квантовую систему на ладони».
Это тоже интересно:
