Нобелевская премия по физике присуждена за наблюдения квантовой механики в макромасштабе

Электроника

Редакция сайта «Технологические инновации» — 07.10.2025

Квантовая физика невооруженным глазом

Нобелевская премия по физике 2025 года присуждена трем исследователям за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования — обычно квантовые явления наблюдаются только в масштабах атомов, в большинстве случаев молекул, но теперь мы знаем, что при особых условиях их можно наблюдать и в более крупных масштабах.

Премия была присуждена Джону Кларку , родившемуся в Великобритании и в настоящее время являющемуся профессором Калифорнийского университета в Беркли, США, Мишелю Х. Деворе , родившемуся в 1953 году в Париже, Франция, в настоящее время являющемуся профессором Йельского и Калифорнийского университетов в Санта-Барбаре, США, и Джону М. Мартинису , родившемуся в 1958 году в США, в настоящее время являющемуся профессором Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Часто работая вместе, три физика провели серию экспериментов, чтобы продемонстрировать, что причудливые свойства квантового мира можно реализовать и наблюдать в системе, достаточно большой, чтобы уместить ее в руке.

Разработанная ими сверхпроводящая электрическая система демонстрирует явление квантового туннелирования , когда переход из одного состояния в другое происходит подобно проходу сквозь стену. Они также показали, что система поглощает и испускает энергию дозами определённых размеров, то есть дискретными квантами энергии, предсказываемыми квантовой механикой.

В то время как в нашей повседневной жизни частица, брошенная о стену, отскакивает обратно, квантовая механика позволяет частице проходить сквозь барьер напрямую, посредством туннелирования. Однако при переходе от одной частицы к большому количеству частиц эффекты квантовой механики становятся пренебрежимо малыми, вплоть до полной потери наблюдения. Эксперименты трёх физиков продемонстрировали, что это свойство квантовой механики может быть реализовано в макроскопических масштабах.

Квантовая механика в макромасштабе

В 1984 и 1985 годах Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис провели серию экспериментов с электронной схемой, построенной со сверхпроводящими компонентами, которая могла проводить ток без электрического сопротивления.

В схеме сверхпроводящие компоненты были разделены тонким слоем непроводящего материала, что известно как джозефсоновский переход . Уточняя и измеряя все различные характеристики схемы, учёные смогли контролировать и использовать явления, возникающие при прохождении через неё электрического тока.

Вместе заряженные частицы, движущиеся через сверхпроводник, образовывали систему, которая вела себя так, как если бы они были единой частицей, заполняющей весь контур, — и эта «суперчастица» следовала правилам квантовой механики.

Моделирование большой частицы

Эта макроскопическая система, подобная частице, изначально находится в состоянии, в котором ток течет без какого-либо напряжения, оказываясь в ловушке этого состояния, как если бы она находилась за барьером, который она не может преодолеть.

Затем система обнаруживает свою квантовую природу, выходя из состояния нулевого напряжения посредством туннелирования — изменение состояния системы обнаруживается именно по появлению электрического напряжения в цепи.

Эксперимент также продемонстрировал, что система ведет себя так, как предсказывает квантовая механика: она квантуется, то есть поглощает или излучает только определенное количество энергии, а не непрерывный диапазон, как это происходит в классических аналоговых схемах.

Множество приложений

Транзисторы в компьютерных чипах и всех электронных устройствах являются наиболее известным примером квантовой технологии. Самые современные транзисторы используют квантовое туннелирование в атомном масштабе.

Работа лауреатов Нобелевской премии этого года прокладывает путь к использованию этих эффектов в гораздо более широких масштабах, что в конечном итоге позволит создать квантовые технологии следующего поколения в макромасштабе, в дополнение к уже традиционным квантовой криптографии , квантовым вычислениям и квантовым датчикам .