Когда вы бросаете мяч в стену, вы можете быть уверены, что он отскочит обратно. Вы бы очень удивились, если бы мяч внезапно оказался по другую сторону от сплошной стены. Но именно это и происходит в мире квантовой физики — на уровне отдельных частиц.
Если представить, что законы квантовой физики работали бы в нашем большом макромире, жизнь была бы полна абсурда. Мячи пролетали бы иногда сквозь стены, мы бы могли телепортироваться, а кот Шрёдингера был бы жив и мертв одновременно. Это такой мысленный эксперимент. Живой кот помещается в закрытый ящик. Там же находится колба с ядом — она сработает, когда распадется один радиоактивный атом (он находится там же, в ящике). Парадокс в том, что вся система зависит от наблюдателя. До тех пор, пока мы не измерим состояние атома, он находится в суперпозиции «распался и не распался» одновременно. А значит и кот одновременно жив и мертв.
Эрвин Шрёдингер, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года, этим мысленным экспериментом хотел показать: если странные квантовые законы микромира применить к большим объектам, получится абсурд.
Но где заканчиваются правила нашего твердого макромира и начинаются парадоксы квантового? Ответ на это дали лауреаты Нобелевской премии по физике — уже 2025-го года.
«Мы привыкли к тому, что квантовая механика — это про микромир, про атомы. А вот, например, большой кирпич — не квантовый, — объясняет заведующий лабораторией НИУ ВШЭ и ИТФ им. Ландау РАН Юрий Махлин. — Можно задаться вопросом, а почему и где, собственно, границы проходят? И чтобы разобраться, когда-то Энтони Леггетт, кстати, тоже Нобелевский лауреат, предложил провести эксперименты со сверхпроводниковыми электронными устройствами, которые сегодняшние лауреаты через несколько лет смогли выполнить.
О чем речь? Что они делали? Если мы возьмем кирпич и запрем его в сундуке, то мы прекрасно знаем, что кирпич снаружи оказаться не может. А вот „квантовый кирпич“ мог бы, потому что каждая квантовая частица — еще и одновременно волна, и, как звук, может проходить сквозь стены. Конечно, с затуханием, но тем не менее. Это явление называют квантовым туннелированием. Сегодняшние лауреаты впервые наблюдали такое явление в большой системе — это макроскопическое квантовое туннелирование.
У них, конечно, был не кирпич, а электронное устройство, но всё же состоящее из миллионов атомов. И, конечно, оно не выпрыгивало из ящика, но как бы „выпрыгивало из ящика“ их коллективное свойство — фаза общей волновой функции всех электронов в этом небольшом куске сверхпроводника».
Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис соорудили маленькую — размером в сантиметр — микросхемку. Это электрическая цепь, сделанная из сверхпроводника. То есть ток там течет вообще без сопротивления. Но между двумя кусочками цепи поставили крошечную стенку из материала, который ток вообще не проводит. Школьная физика гласит, что диэлектрик все испортил — напряжения в цепи нет. А вот нобелиаты напряжение обнаружили! Электроны объединились в пары и буквально просочились через барьер, чего просто не могло быть — у них не было энергии для этого. Впервые ученые увидели, как парадоксы квантового микромира работают в больших объектах. Электроны в этой системе повели себя так, будто бы они были одной большой квантовой частицей. Это явление назвали макроскопическим квантовым туннелированием.
«В сверхпроводнике электроны образуют пары, и у них было общее коллективное свойство, которое ведет себя как квантовая система, — говорит Юрий Махлин. — Вот в такой системе они заметили, что это коллективное свойство, эта фаза как бы „выпрыгивает из сундука“, и в этот момент возникает импульс напряжения, который, собственно, они и померили. И это было способом детектировать вот это самое макроскопическое квантовое туннелирование. Тот факт, что они наблюдали импульс напряжения как раз подтверждало вот этот самый „прыжок“».
Со стороны этот эксперимент кажется крайне простым. Он даже не требует огромной лаборатории и сложных измерительных приборов. Разве что ученым понадобился большой — размером с комнату — холодильник (без этого сверхпроводник не работает).
Но за этим экспериментом стоят невероятные возможности. В том числе — создание квантового компьютера.
«Эти результаты получили очень разнообразное развитие. Я бы сказал, что самое важное, что мы продвинулись в нашем понимании законов природы, наблюдали, как работает квантовая механика в больших системах, и это дало нам новые знания и о квантовой механике вообще, и о том, как устроены большие тела, твердые тела в целом, — объясняет Махлин. — Это дало развитие электронным устройствам — дальнейшие новые квантовые устройства. Они же потом обнаружили, что у этого „кирпича“ в этом сундуке есть, как у электрона в атоме, разные орбиты с энергиями побольше, поменьше. Потом было обнаружено, что эти разные орбиты можно использовать как основу для создания кубитов (квантовых битов). Эксперименты в этой области ведутся уже с конца 90-х. Успешное развитие разных эффектов, — это то, что обычно называют словами „квантовые технологии“».
Вот за это физикам и присудили Нобелевскую премию в 2025 году.