Лауреаты награждены за демонстрацию туннельного эффекта и дискретных состояний в мезоскопических системах — шаг, который соединяет фундаментальную физику и квантовые компьютеры.
Туннельный эффект — одно из самых загадочных проявлений квантового мира: частица, сталкиваясь с «непроходимой» стеной, способна оказаться по другую ее сторону. Лауреаты Нобелевской премии по физике Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис впервые наблюдали это явление не на уровне отдельных частиц, а в целых системах, где электроны действуют как единое целое. Эксперименты показали, что даже такие коллективные состояния подчиняются законам квантовой механики. Что это такое и зачем это нужно объясняет эксперт телеканала «Наука».
Алексей Семихатов доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, Физический институт им. Лебедева РАН
Квантовая природа вещей лежит в основе всей Вселенной и нас самих, но квантовые эффекты не подчиняются привычной интуиции и не работают в бОльших масштабах, это совершенно отдельный особый мир. Туннелирование известно почти 100 лет и в течение этого времени понимание его развивалось. Авторы исследований, получившие в этом году Нобелевскую премию по физике, внесли в него значительный вклад.
Здесь есть два аспекта — туннельный эффект и дискретность.
Туннельный эффект
Туннельный эффект — это фундаментальное (но контринтуитивное) квантовое явление, когда квантовая система упирается во что-то вроде стены и вроде бы не может ее преодолеть, однако у нее, тем не менее, имеется вероятность, всего лишь вероятность, оказаться по другую сторону этой «стены». Благодаря этому эффекту горят звезды и работает радиоактивный распад ядер.
Лауреаты этого года продемонстрировали эффект для мезоскопических систем (системы физических объектов, размер которых находится между микроскопическим — размера частиц — и макроскопическим миром). В их экспериментах в сверхпроводящем контуре в «стену» упиралось общее состояние значительного количества электронов.
Сверхпроводящие электроны объединяются в куперовские пары, из-за чего становятся «дружественными» друг к другу — и вот в этом «дружном» состоянии они представляют собой как будто бы нечто единое. Это тоже абсолютно фундаментальное квантово-механическое явление.
Эффект был хорошо известен для отдельных частиц, но лауреатам Нобелевской премии этого года удалось его продемонстрировать для мезоскопических состояний. Такая система упирается в «стену» и вроде бы не должна пройти, но на самом деле проходит.
Во-первых, открытие развивает наше понимание квантовой механики и устройства мира. А, во-вторых, открывает дорогу к управлению этим эффектом, по сути, это аналог транзисторов. Если вы можете этим эффективно управлять, вы тогда имеете уникальные квантовые свойства чего-то типа кубитов. Умение ими управлять и знание того, что с ними может произойти, важно, в том числе для, развития технологий. Кубит это квантовая система, в которой нужно иметь два разных отчетливых состояния. Именно поэтому сверхпроводящие контуры — это один из подходов к созданию квантового компьютера.
Энергетические уровни
Второй аспект, это дискретность. Когда вы запираете какую-то квантовую систему в пространстве, например электрон поселяете рядом с атомным ядром, там возникают дискретные уровни энергии. То есть далеко не по-всякому электрон может устроиться вблизи атомного яда — только при определенных значениях энергии. Это совершенно фундаментальное свойство для устройства мира. Лауреатам и в данном случае удалось увидеть то же самое для мезоскопической системы.
Они фактически заперли эту систему электронов в сверхпроводящем контуре, и увидели, что в ней тоже возникают дискретные уровни энергии. То есть она может существовать только при какой-то определенной энергии и не может при чуть-чуть большей. Демонстрация фундаментальной квантовой природы не для отдельных электронов, а для достаточно большой системы.
Открытие, собственно, уже проложило путь к одной из версий квантовых компьютеров — на сверхпроводящих кубитах. В квантовом компьютере именно это и требуется: отделенные друг от друга дискретные состояния.
Так что работа нобелевских лауреатов расширяет понимание о приложениях квантовой механики, о том, насколько распространены квантовые эффекты в природе.
Тем более знаково, что эта Нобелевская премия вручена в год столетия квантовой механики. В 1925 году Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Йордан создали первую логически непротиворечивую формулировку квантовой механики, основанную на математических матрицах. В конце того же 1925 года Эрвин Шредингер разработал альтернативную формулировку, известную как волновая механика, которая оказалась эквивалентной матричной. Все это считается рождением современной квантовой механики.