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.
«Нобелевку» по физике дали за демонстрацию квантовых эффектов в большом масштабе
Что такое квантовый компьютер и как он работает?
Физика в нейросетях: объявлены лауреаты Нобелевской премии 2024 года
Откуда в нейросетях «магия»? О «нобелевских открытиях» по физике 2024 года
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram