Астана. 8 октября. BM.KZ – Лауреатами Нобелевской премии по физике 2025 года стали британец Джон Кларк, американец Джон М. Мартинис и француз Мишель Х. Деворе, передает Русская служба ВВС.
Как говорится в пресс-релизе Нобелевского комитета, один из основных вопросов в физике — это максимальный размер системы, в которой могут проявляться квантово-механические эффекты. Лауреаты Нобелевской премии этого года провели эксперименты с электрической цепью, в которых продемонстрировали как квантово-механический туннельный эффект, так и квантованные уровни энергии в системе, достаточно большой, чтобы ее можно было взять в руки.
Джон Кларк родился в 1942 году в Кембридже. В 1968 году получил докторскую степень в Кембриджском университете. Он профессор Калифорнийского университета в Беркли.
Мишель Х. Деворе родился в 1953 году в Париже. Докторскую степень он получил в 1982 году в Университете Париж-Юг, а сейчас он профессор Йельского университета, Нью-Хейвен, и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Джон М. Мартинис родился в 1958 году. В 1987 году получил докторскую степень Калифорнийского университета в Беркли. Профессор Калифорнийского университета, Санта-Барбара.
Квантовая механика описывает свойства, которые имеют значение в масштабе отдельных частиц. В квантовой физике эти явления называются микроскопическими. В макроскопических явлениях, напротив, участвует большое количество частиц.
Например, обычный мяч состоит из огромного количества молекул и не демонстрирует никаких квантово-механических эффектов. Мы знаем, что каждый раз, когда его бросают в стену, мяч будет отскакивать. Однако, если перенести эту ситуацию в микромир, отдельным частицам «мяча» иногда удается просочиться прямо через аналогичный барьер в своем микроскопическом мире и появиться на другой его стороне. Это квантово-механическое явление называется туннелированием.
Способность отдельных частиц к туннелированию известна давно. В 1928 году физик Джордж Гамов понял, что именно благодаря ему некоторые тяжелые атомные ядра имеют тенденцию распадаться определенным образом. Взаимодействие сил в ядре создает вокруг него барьер, удерживающий содержащиеся в нем частицы. Однако, несмотря на это, небольшая часть атомного ядра иногда может отделиться, выйти за пределы барьера и улететь, оставив после себя ядро другого элемента. Без туннелирования такой тип ядерного распада невозможен.
Туннелирование — это квантово-механический процесс, и в нем играет роль случай. У некоторых ядер этот барьер выше, поэтому до распада может пройти немало времени. Если рассматривать только один атом, невозможно предсказать, когда это произойдет, но, наблюдая за распадом большого количества ядер одного типа, можно измерить ожидаемое время до возникновения туннелирования. Наиболее распространенный способ описания этого явления — это период полураспада, то есть время, необходимое для распада половины ядер в образце.
Физики быстро задались вопросом, возможно ли исследовать тип туннелирования, в котором участвует более одной частицы одновременно. Один из подходов к новым типам экспериментов возник на основе явления сверхпроводимости, возникающего при сверхнизких температурах.
В обычном проводящем материале ток течет потому, что в нем есть электроны, которые могут свободно перемещаться по всему материалу. В некоторых материалах отдельные электроны, продвигающиеся через проводник, могут образовать пары, называемые парами Купера (в честь Леона Купера, вместе с Джоном Бардином и Робертом Шриффером подробно описавшего механизм сверхпроводимости и получившего Нобелевскую премию по физике в 1972 году). Эти пары ведут себя синхронизированно и проходят через материал без сопротивления. Материал становится сверхпроводником.
Пары Купера ведут себя совершенно иначе, чем обычные электроны. Электроны любят держаться на расстоянии друг от друга — два электрона не могут находиться в одном месте, если имеют одинаковые свойства.
Например, в атоме электроны занимают разные энергетические уровни. Однако, когда электроны в сверхпроводнике объединяются в пары, они теряют часть этой индивидуальности; в то время как два отдельных электрона всегда различаются, две пары Купера могут быть абсолютно одинаковыми. Это означает, что пары Купера в сверхпроводнике можно описать как единое целое, одну квантово-механическую систему. На языке квантовой механики их описывают как единую волновую функцию, описывающую вероятность наблюдения системы в данном состоянии и с данными свойствами.
В 1984 и 1985 годах Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис провели серию экспериментов с электронной схемой, построенной из сверхпроводников — компонентов, которые могут проводить ток без электрического сопротивления. В их схеме сверхпроводящие компоненты были разделены тонким слоем непроводящего материала — так называемый джозефсоновский контакт (эффект Джозефсона — это явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника).
В своем эксперименте они показали, что могут контролировать и исследовать явление, при котором все заряженные частицы в сверхпроводнике ведут себя согласованно, как если бы они были одной частицей, заполняющей всю цепь.
Эта система находится в состоянии, в котором ток протекает без напряжения — состоянии, выйти из которого у нее не хватает энергии. В эксперименте система демонстрирует свой квантовый характер, умудряясь выйти из состояния нулевого напряжения посредством туннелирования. Изменение состояния системы обнаруживается по появлению напряжения.
Лауреаты также смогли продемонстрировать, что система ведет себя так, как и предсказывает квантовая механика — она поглощает или излучает только определенные количества (кванты) энергии.
Другие теоретики, в частности, обладатель Нобеля по физике за 2003 год Энтони Леггетт, чьи теоретические работы по макроскопическому квантовому туннелированию и сверхпроводникам вдохновили на проведение новых типов экспериментов, сравнили эксперимент лауреатов с известным мысленным экспериментом нобелевского лауреата 1933 года Эрвина Шредингера с котом в коробке, когда узнать, жив кот или нет, можно только заглянув внутрь.
Квантовые свойства кошки в целом нельзя продемонстрировать в лабораторном эксперименте. Однако серия экспериментов, проведенных лауреатами, показала существование явлений, в которых участвует огромное количество частиц, которые вместе ведут себя именно в соответствии с принципами квантовой механики. Поскольку в эксперименте измеряются квантово-механические свойства, применимые к системе в целом, с точки зрения квантовой физики она напоминает того самого кота Шредингера.
Этот эксперимент имеет последствия для понимания квантовой механики. Другие типы квантово-механических эффектов, которые проявляются в макроскопическом масштабе, состоят из множества крошечных отдельных частей и их отдельных квантовых свойств. Микроскопические компоненты объединяются, вызывая макроскопические явления — по этому принципу работают лазеры, сверхпроводники и сверхтекучие жидкости.
Однако в этом эксперименте макроскопический эффект — измеримое напряжение — был получен из состояния, которое само по себе является макроскопическим, в форме общей волновых функций для огромного количества частиц.
Этот тип макроскопического квантового состояния открывает новые возможности для экспериментов с использованием явлений, которые управляют микроскопическим миром частиц. Его можно рассматривать как форму искусственного атома в большом масштабе — атома с кабелями и разъемами, который можно подключить к новым испытательным установкам или использовать в новой квантовой технологии. Например, искусственные атомы используются для моделирования других квантовых систем и помогают понять принципы их работы.
Другой пример — эксперимент с квантовым компьютером, впоследствии проведенный Мартинисом. Он использовал схему с квантованными состояниями в качестве единиц, несущих информацию — квантовый бит. Состояние с наименьшей энергией и первый шаг вверх функционировали как ноль и единица соответственно. Сверхпроводящие схемы — одна из технологий, которые ученые исследуют в попытках построить квантовый компьютер будущего.
Нобелевская премия по физике этого года открыла возможности для разработки квантовых технологий следующего поколения, включая квантовую криптографию, квантовые компьютеры и квантовые датчики.