Около ста лет назад, в 1920-х, физики впервые осознали, что мир на микроскопическом уровне подчиняется своим законам. Тогда родилась квантовая механика — наука о вероятностях, суперпозициях и странных явлениях, вроде того, что частица может одновременно находиться и «здесь», и «там». Тогда все это было теорией, далекой от практики. Со временем квантовые идеи легли в основу лазеров, микрочипов, МРТ, а теперь и квантовых компьютеров.
Assistant Professor департамента физики Nazarbayev University Дана Алина рассказывает о том, за что в этом году вручена Нобелевская премия по физике.
Мы живём в эпоху больших вычислений. Миру нужно всё больше данных и всё быстрее необходимо их обрабатывать. Физики ищут способы сделать это не только совершенствуя кремниевые процессоры, но и обращаясь к самой основе природы.
В 2025 году Нобелевская премия по физике присуждена Джону Кларку (John Clarke), Мишелю Деворе (Michel Devoret) и Джону Мартинису (John Martinis) - за эксперименты, подтвердившие, что квантовые эффекты могут проявляться не только на уровне отдельных частиц, но и на макроскопическом уровне, в электросхемах. Эти эксперименты, сделанные в 1980-х годах, открыли путь для сверхпроводниковых кубитов, которые сегодня входят в число лидирующих платформ в разработках квантовых компьютеров.
Фото: Getty Images
Что же сумели показать лауреаты этого года? В заявлении Нобелевского комитета говорится, что премию они получили за исследования, связанные с «открытием макроскопического квантового туннелирования и квантования энергии в электрических цепях».
Начнем с базы. Представим частицу, которая не имеет классически достаточной энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер, её волновая функция проникает внутрь барьера, экспоненциально убывая. Но если барьер не слишком большой, есть ненулевая вероятность, что частица «появится» с другой стороны, словно прошла через стену или пролетела сквозь туннель. Это называется туннельным эффектом. Так в 1928 году физик Георгий Гамов объяснил, как альфа-частицы покидают атомное ядро, туннелируя через внутренний барьер. Позже это явление легло в основу туннельных диодов и сканирующих микроскопов, изменивших электронику и нанотехнологии.
Вначале считалось, что туннельный эффект — удел микромира: атомов и электронов. Но что, если квантовая механика способна описывать целые схемы — макроскопические объекты, состоящие из миллиардов частиц? Именно это доказали лауреаты Нобелевской премии по физике 2025 года.
Они изучали как себя ведут электросхемы, состоящие из сверхпроводников и джозефсонского перехода. При сверхнизких температурах такие системы могут существовать в квантовых состояниях: фаза сверхпроводящего тока «заперта» в потенциальной яме, но способна туннелировать в соседнюю не как отдельный электрон, а как вся система целиком. Физики наблюдали, как ток внезапно «перескакивает» через барьер даже без тепловой энергии — явный признак макроскопического квантового туннелирования. «Наблюдали» — легко сказано, ученые сконструировали эксперимент, разработали методы измерений, сравнивали с теорией. Эти эксперименты показали, что квантовые эффекты можно не только наблюдать, но и контролировать.
В ее основе лежат технологии управления квантовыми состояниями. Над квантовыми компьютерами сейчас работают ведущие исследовательские центры и коммерческие организации.
Это еще раз доказывает, что мы не можем знать, куда нас приведет фундаментальная наука, но именно она предшествует прикладным исследованиям и приводит к прорывам в масштабах человечества.
Поддержите журналистику, которой доверяют.
