Нобелевская премия по физике 2025 года

Важнейший вопрос физики — максимальный размер системы, способной продемонстрировать квантово-механические эффекты. Лауреаты Нобелевской премии этого года провели эксперименты с электрической цепью, в которой продемонстрировали как квантово-механическое туннелирование, так и квантовые уровни энергии в системе, достаточно большой, чтобы буквально уместиться в руке.

Квантовая механика позволяет частице проходить сквозь барьер, используя процесс, называемый туннелированием. При большом числе частиц квантово-механические эффекты обычно становятся незначительными. Эксперименты лауреатов продемонстрировали, что квантово-механические свойства можно конкретизировать в макроскопическом масштабе.

В 1984 и 1985 годах Джон Кларк, Мишель Х. Деворе и Джон М. Мартинис провели серию экспериментов с электронной цепью, построенной из сверхпроводников – компонентов, способных проводить ток без электрического сопротивления. В цепи сверхпроводящие компоненты были разделены тонким слоем непроводящего материала, устройством, известным как джозефсоновский переход. Уточняя и измеряя все различные свойства своей цепи, они смогли контролировать и исследовать явления, возникающие при пропускании через нее тока. Вместе заряженные частицы, движущиеся через сверхпроводник, составляли систему, которая вела себя так, как если бы они были единой частицей, заполняющей всю цепь.

Эта макроскопическая система, подобная частице, изначально находится в состоянии, в котором ток протекает без напряжения. Система оказывается запертой в этом состоянии, словно за барьером, который она не может преодолеть. В эксперименте система проявляет свою квантовую природу, преодолевая состояние нулевого напряжения посредством туннелирования. Изменение состояния системы регистрируется по появлению напряжения.

Лауреатам также удалось продемонстрировать, что система ведет себя так, как предсказывает квантовая механика — она квантуется, то есть поглощает или испускает только определенное количество энергии.

Значение этих экспериментов выходит далеко за рамки чистой науки. Как отметил председатель Нобелевского комитета Улле Эрикссон, квантовая механика не только продолжает удивлять, но и лежит в основе технологий будущего.

Работа Кларка, Деворе и Мартиниса заложила один из краеугольных камней для современной квантовой революции. Она открыла путь к созданию устройств, принцип работы которых основан на управлении макроскопическими квантовыми состояниями. Без этого фундаментального прорыва были бы невозможны разработки в области квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные самым мощным классическим суперкомпьютерам, систем квантовой криптографии с абсолютно защищенной связью, а также сверхчувствительных квантовых датчиков, открывающих новые горизонты в медицине и фундаментальных исследованиях. Таким образом, эти эксперименты не просто ответили на глубокий теоретический вопрос, но и указали человечеству путь к принципиально новым технологиям.

Джон Кларк, родился в 1942 году в Кембридже, Великобритания. Получил докторскую степень в Кембриджском университете в 1968 году. Профессор Калифорнийского университета в Беркли, США.

Мишель А. Деворе родился в 1953 году в Париже, Франция. Получил докторскую степень в Университете Париж-Юг, Франция, в 1982 году. Профессор Йельского университета (в России это учебное заведение признали нежелательным) в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, США.

Джон М. Мартинис, родился в 1958 году. Доктор философии (1987), Калифорнийский университет в Беркли, США. Профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, США.