В этом году Нобелевскую премию по физике получили три ученых: британец Джон Кларк, американец Джон Мартинис и француз Мишель Деворе. Их наградили за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования — явления, которое доказывает: законы квантовой физики могут работать не только в мире атомов и электронов, но и в системах, которые можно буквально взять в руки.
Что такое квантовое туннелирование?
Квантовая механика описывает поведение частиц в атомном и субатомном масштабах. Одним из ее парадоксов является туннелирование — эффект, при котором частица преодолевает энергетический барьер, не обладая достаточной энергией для этого с точки зрения классической физики.
Представьте себе мяч, который катится к стене. В обычной физике он просто отскочит — ведь стену не пробить. Но в квантовом мире все иначе: частица, вроде электрона, иногда может «просочиться» сквозь барьер, как будто его нет. Это и есть квантовое туннелирование. Оно объясняет, например, радиоактивный распад атомов, открытый еще в 1920-х годах Джорджем Гамовым. Частицы внутри атомного ядра «заперты» силами притяжения, но иногда одна из них вдруг проходит через энергетический барьер и вылетает наружу. Именно так элемент превращается в другой.
Раньше считалось, что туннелировать могут только микроскопические частицы: атомы, электроны, фотоны. Но, что если попробовать увидеть этот эффект в чем-то большем, видимом невооруженным глазом?
Как Кларк, Мартинис и Деворе сделали невозможное
В 1984–1985 годах ученые провели серию экспериментов с сверхпроводящими цепями — материалами, которые проводят электрический ток без сопротивления. Два сверхпроводника они разделили тончайшим слоем изолятора — это устройство известно как джозефсоновский переход. Когда электроны в сверхпроводнике объединяются в пары (так называемые пары Купера), они начинают вести себя как единое целое. Вся цепь превращается в одну квантовую систему, описываемую общей волновой функцией.
В этом состоянии система ведет себя как частица, «запертая» в потенциальной яме: ток течет без напряжения, и выйти из этого состояния вроде бы невозможно. Но в эксперименте физики увидели, что система «протуннелировала» — перескочила через энергетический барьер. Это был квантовый переход, зафиксированный на макроскопическом уровне. Более того, система вела себя дискретно: она могла поглощать или испускать энергию только порциями — квантами. Это доказывало, что даже крупные объекты могут подчиняться законам квантовой механики.
От теории Шредингера к реальности
Физики давно задавались вопросом: существует ли граница между микромиром, где все подчинено квантовым законам, и макромиром, где работает классическая физика? Эксперименты Кларка, Деворе и Мартиниса показали: граница эта размыта. Их результаты напомнили знаменитого «кота Шредингера» — мысленный эксперимент, где кот может быть одновременно жив и мертв, пока не открыть коробку. Теперь физики получили возможность наблюдать аналогичные состояния не в теории, а в реальных установках. Цепь из сверхпроводников может находиться в суперпозиции состояний — сразу и без напряжения, и с ним.
Почему это важно
До этих экспериментов физики считали, что квантовая механика работает только на уровне мельчайших частиц. Но Кларк, Деворе и Мартинис доказали, что весьма крупные системы, вроде электрических схем, могут подчиняться тем же законам, что и атомы. Фактически они создали искусственный атом, только не из протонов и электронов, а из сверхпроводников, проводов и контактов. И этот «атом» можно включать в розетку, охлаждать и измерять.
Сам Джон Мартинис позже возглавил квантовое подразделение Google и применил принципы тех самых джозефсоновских схем для создания кубитов, благодаря которым компания впервые заявила о квантовом превосходстве.
«Квантовая механика, которой уже больше ста лет, по-прежнему преподносит сюрпризы, — сказал председатель Нобелевского комитета Олле Эриксон. — И она невероятно полезна: именно на ней построены все современные цифровые технологии».
Эксперимент Кларка, Деворе и Мартиниса доказал: квантовая реальность не прячется в атомах — она рядом, в лаборатории, в микросхемах, в приборах, которые можно держать в руках. Квантовый мир не исчезает, когда становится большим. Он просто становится ближе.