Шамамен жүз жыл бұрын, 1920 жылдары физиктер алғаш рет микродүниенің өз заңдылығына бағынып өмір сүретінін түсінді. Сол кезде ықтималдық, суперпозиция және біртүрлі құбылыстар туралы ілім – кванттық механика пайда болды. Бұл ғылымда қандай да бір бөлшек бір уақытта әрі «осында», әрі «басқа жерде» бола алатыны айтылды. Алғашында мұның бәрі тек теория болып көрінген. Уақыт өте келе кванттық идеялар қазіргі қолданыстағы лазерлер, микрочиптер, МРТ технологиясының және кванттық компьютерлердің пайда болуына негіз болды.
Nazarbayev University физика департаментінің ассистент профессоры Дана Алина биылғы физика саласындағы Нобель сыйлығының иегерлері мен олардың жаңалығын түсіндіреді.
Біз үлкен есептеулер дәуірінде өмір сүріп жатырмыз. Әлемге күн сайын көбірек дерек керек, ал оларды өңдеу бұрынғыдан да жылдам жүруге тиіс. Физиктер бұл міндетті шешу жолын тек кремний процессорларын жетілдіруден ғана емес, табиғаттың өз заңдылықтарына үңілуден де іздейді.
2025 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығы Джон Кларк (John Clarke), Мишель Деворе (Michel Devoret) және Джон Мартиниске (John Martinis) берілді. Олар кванттық құбылыстардың жеке бөлшектер деңгейінде ғана емес, макродеңгейде, электр тізбектерінде де байқалатынын дәлелдеген тәжірибе жүргізген. 1980 жылдары жасалған бұл зерттеулер бүгінде кванттық компьютерлерді дамытуда жетекші бағыттардың бірі болып отырған асқын өткізгіш кубиттердің дамуына жол ашты.
Фото: Getty Images
Биылғы лауреаттар нені дәлелдей алды?
Нобель комитетінің мәлімдемесінде айтылғандай, олар сыйлықты «электр тізбектерінде макро деңгейдегі энергияның квантталуы мен кванттық туннельдеуді анықтаған еңбегі үшін» алған.
Алдымен негізгіден бастайық. Елестетіп көріңіз: бір бөлшектің энергиясы бар, бірақ ол классикалық тұрғыдан қандай да бір бөгетті бұзып өте алмайды. Дегенмен оның толқын функциясы бөгеттің ішіне сәл еніп, жылдам әлсірей береді. Егер бөгет аса үлкен болмаса, бөлшек қабырғаның арғы жағынан «шығу» ықтималдығы бар, яғни ол қабырғаның ішінен өтіп кеткендей немесе туннель арқылы ұшып өткендей әсер қалдырады. Бұл құбылыс туннель әсері деп аталады. 1928 жылы физик Георгий Гамов дәл осы құбылыстың көмегімен альфа бөлшектер атом ядросынан қалай шыға алатынын түсіндірді. Олар ішкі бөгетті туннельдеу арқылы өтіп кетеді. Кейін бұл құбылыс туннель диодтары мен сканерлеуші микроскоптардың негізіне айналып, электроника мен нанотехнология саласында ғылыми төңкеріс жасады.
Бастапқыда ғалымдар туннель әсері тек микродүниеге, яғни атомдар мен электрондар әлеміне тән деп ойлады. Ал кванттық механика миллиардтаған бөлшектен құралған үлкен жүйелерді де сипаттай алса ше? Міне, осыны дәлелдеп көрсеткен 2025 жылғы физика саласындағы Нобель сыйлығының лауреаттары болды.
Олар құрамында асқын өткізгіш материалдар мен Джозефсон әсері бар электр тізбектерінің қалай әрекет ететінін зерттеді. Өте төмен температурада мұндай жүйелер кванттық күйлерде бола алады: асқын өткізгіш токтың фазасы потенциалдық шұңқырда «қамалып» қалады, бірақ кейде бір электрон емес, тұтас жүйенің өзі көршілес күйге туннельдеу арқылы өтеді. Физиктер токтың ешқандай жылу энергиясынсыз кенеттен «бөгеттен секіріп өткенін» байқаған — бұл макроскопиялық кванттық туннельдеудің айқын дәлелі еді. «Байқады» деу оңай. Іс жүзінде ғалымдар тәжірибелер ойлап тауып, өлшеу әдістерін жасап, нәтижені теориямен салыстырды. Бұл зерттеулер кванттық құбылыстарды бақылап қана қоймай, оларды басқаруға да болатынын дәлелдеп берді.
Бұл технологиялардың негізі кванттық күйлерді басқару әдістерінде жатыр. Қазір кванттық компьютерлерді жетілдірумен әлемнің жетекші ғылыми орталықтары мен ірі технологиялық компаниялары айналысып жатыр.
Бұл іргелі ғылымның қай бағытқа апаратынын алдын ала білу мүмкін емес екенін тағы бір рет дәлелдеп отыр. Бірақ дәл сол іргелі зерттеулер кейін қолданбалы жаңалықтарға негіз болып, адамзат ауқымындағы серпілістерге жол ашады.
Поддержите журналистику, которой доверяют.
