Квант в конце туннеля: за что дали Нобелевскую премию по физике

«Шведская королевская академия наук приняла решение присудить Нобелевскую премию по физике 2025 года Джону Кларку, Мишелю Деворе и Джону Мартинису за открытие макроскопического квантового туннелирования и квантования энергии в электрической цепи», — сообщается в официальном пресс-релизе Нобелевского комитета.

На квантовом уровне размеры частиц настолько малы, что начинают проявляться специфические квантовые эффекты. Один из них — квантовое туннелирование, при котором частица может преодолеть какой-либо энергетический барьер, даже если ее собственная энергия меньше энергии барьера. Например, в нашем привычном макромире мяч, брошенный стену, всегда отскакивает — это закон классической физики. А в микромире благодаря квантовой физике существует вероятность, что мяч не отскочит, а «просочится» сквозь стену.

Раньше считалось, что квантовое туннелирование срабатывает только на микроскопическом масштабе у отдельных атомов или электронов. Однако существовали теоретические предсказания, что квантово-механические эффекты могут проявляться и в макроскопической системе, состоящей из сотен миллионов отдельных частиц, например в газе электронов, если он находится в сверхпроводящем состоянии.

Это и было экспериментально показано в работах 1984–1985 годов, которых удостоили награды в этом году. Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис создали электронную цепь из сверхпроводников — компонентов, способных проводить ток без электрического сопротивления. Сверхпроводящие части цепи разделили так называемым джозефсоновским переходом — тонким слоем изолятора. В свою очередь, заряженные частицы, движущиеся по сверхпроводнику, представляли собой единую систему и напоминали единую частицу. По законам классической физики она не могла преодолеть слой изолятора, но согласно законам квантовой физики у нее все-таки получилось перейти из состояния без напряжения в состояние с напряжением. При этом частица поглощала и излучала только определенное количество энергии.

«При переходе в сверхпроводящее состояние все электроны в материале синхронизируются, и их совокупность можно описать уравнением Гинзбурга-Ландау. К слову, за это уравнение Виталию Гинзбургу вручили Нобелевскую премию в 2003 году. Опираясь на это, Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис решили узнать, не происходит ли с макроскопическим сверхпроводником то, что происходило бы с одной микроскопической квантовой частицей. Ученые продемонстрировали эффект туннелирования, при котором микроскопическая квантовая частица с ненулевой вероятностью может пролететь "сквозь" стенку, но уже с макроскопическим облаком из миллиардов электронов в сверхпроводящем состоянии. Кроме того, эксперимент показал, что облако электронов в сверхпроводнике может иметь только дискретные уровни энергии. Эти уровни энергии активно используются в современных квантовых компьютерах на основе сверхпроводников, которые разрабатываются как за рубежом, так и в России — например, в российском квантовом центре, МГТУ им. Н.Э. Баумана и МИСИС», — объяснил главный научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Иван Иорш.

Также, как отметили в Нобелевском комитете по физике, открытие ученых уже применяется в работе транзисторов на компьютерных чипах и в перспективе создаст возможности для разработки следующего поколения квантовых технологий — квантовой криптографии, квантовых компьютеров и датчиков.

Новые квантовые материалы синтезирует и исследует их свойства исследовательская группа ведущего научного сотрудника Нового физтеха ИТМО Василия Кравцова. Так, в одной из работ команда ученых применила синтезированный двумерный материал для создания источников одиночных фотонов, которые используются в квантовой криптографии и квантовых сенсорах. Также исследователи разработали устройство для создания сцепленных частиц света и материи и управления ими, которое можно использовать как основу архитектуры более быстрых компьютеров, средств передачи связи или интернет-сетей, и сверхтонкий светоизлучающий элемент для ультратонких дисплеев.