«Нобелевку» по физике дали за демонстрацию квантовых эффектов в большом масштабе

Королевская Шведская академия наук приняла решение присудить Нобелевскую премию по физике 2025 года Джону Кларку (Калифорнийский университет имени Беркли, США), Мишелю Х. Деворе
Йельский университет, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, США) и Джону М. Мартинису (Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, США) «за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи».

Важнейший вопрос физики — максимальный размер системы, способной продемонстрировать квантово-механические эффекты.

Лауреаты Нобелевской премии этого года провели эксперименты с электрической цепью, в которой продемонстрировали как квантово-механическое туннелирование, так и квантовые уровни энергии в системе, достаточно большой, чтобы уместиться в руке.

Новаторские эксперименты

Квантовая механика описывает свойства в масштабах отдельных частиц. В квантовой физике такие явления называются микроскопическими (хотя они намного меньше, чем можно увидеть в оптический микроскоп). В противовес, макроскопические явления состоят из большого числа частиц. Например, обычный мяч состоит из астрономического количества молекул и не проявляет никаких квантово-механических эффектов. Мы знаем, что мяч отскакивает назад каждый раз, когда его бросают в стену. Однако отдельная частица иногда проходит сквозь барьер в своем микроскопическом мире и появляется с другой стороны. Это квантово-механическое явление называется туннелированием.

Нобелевская премия по физике этого года присуждается за эксперименты, продемонстрировавшие возможность наблюдения квантового туннелирования в макроскопических масштабах с участием множества частиц. В 1984 и 1985 годах Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис провели серию экспериментов в Калифорнийском университете в Беркли. Они построили электрическую цепь с двумя сверхпроводниками — компонентами, способными проводить ток без какого-либо электрического сопротивления. Они разделили их тонким слоем материала, не проводящего ток вообще.

В этом эксперименте они показали, что могут контролировать и исследовать явление, при котором все заряженные частицы в сверхпроводнике ведут себя согласованно, как будто они представляют собой единую частицу, заполняющую всю цепь.

Эта подобная частице система находится в состоянии, в котором ток протекает без напряжения — состоянии, из которого у нее недостаточно энергии для выхода. В эксперименте система демонстрирует свою квантовую природу, используя туннелирование для выхода из состояния нулевого напряжения, генерируя электрическое напряжение. Лауреатам также удалось показать, что система квантована, то есть поглощает или испускает энергию только в определенных количествах.

Тоннели и переходы

В помощь лауреатам были концепции и экспериментальные инструменты, разрабатывавшиеся десятилетиями.

Способность отдельных частиц к туннелированию хорошо известна. В 1928 году физик Георгий Гамов обнаружил, что туннелирование является причиной того, что некоторые тяжелые атомные ядра склонны распадаться определенным образом. Взаимодействие сил внутри ядра создает вокруг него барьер, удерживающий содержащиеся в нем частицы. Однако, несмотря на это, небольшой фрагмент атомного ядра иногда может отколоться, выйти за пределы барьера и вырваться, оставляя после себя ядро, преобразовавшееся в другой элемент. Без туннелирования этот тип ядерного распада не мог бы происходить.

Туннелирование — это квантово-механический процесс, в котором определенную роль играет случай. Некоторые типы атомных ядер имеют высокий и широкий барьер, поэтому может потребоваться много времени, чтобы фрагмент ядра оказался за его пределами, в то время как другие типы распадаются легче. Если мы смотрим только на один атом, мы не можем предсказать, когда это произойдет, но, наблюдая за распадом большого количества ядер одного типа, мы можем измерить ожидаемое время до начала туннелирования. Наиболее распространенный способ описания этого явления — это период полураспада, то есть время, за которое распадается половина ядер в образце.

Физики сразу же задались вопросом, возможно ли исследовать тип туннелирования, в котором одновременно участвует более одной частицы. 

В обычном проводящем материале ток течет благодаря наличию электронов, которые могут свободно перемещаться по всему материалу. В некоторых материалах отдельные электроны, прокладывая себе путь через проводник, могут организовываться, образуя синхронизированный танец, протекающий без какого-либо сопротивления. Материал становится сверхпроводником, и электроны объединяются в пары. Эти пары называются куперовскими.

Куперовские пары ведут себя совершенно иначе, чем обычные электроны. Электроны обладают целостностью и предпочитают оставаться на расстоянии друг от друга — два электрона не могут находиться в одном и том же месте, если у них одинаковые свойства. Можно видеть это, например, в атоме, где электроны разделяются на разные энергетические уровни. Однако, когда электроны в сверхпроводнике объединяются в пары, они теряют часть своей индивидуальности: в то время как два отдельных электрона всегда различны, две куперовские пары могут быть совершенно одинаковыми. Это означает, что куперовские пары в сверхпроводнике можно описать как единое целое, одну квантово-механическую систему. На языке квантовой механики они тогда описываются как одна волновая функция. Эта волновая функция описывает вероятность наблюдения системы в данном состоянии и с заданными свойствами.

Если соединить два сверхпроводника, поместив между ними тонкий изолирующий барьер, образуется джозефсоновский переход. Этот компонент назван в честь Брайана Джозефсона, который выполнил расчеты для этого перехода.

Конструкция предоставила инструменты для нового исследования основ квантовой физики. Так, теоретические работы Энтони Леггетта о макроскопическом квантовом туннелировании в джозефсоновском переходе вдохновили на новые типы экспериментов.

Подобно одной гигантской частице

Джон Кларк создал свою исследовательскую группу в Калифорнийском университете в Беркли, он специализировался на изучении ряда явлений с использованием сверхпроводников и джозефсоновского перехода. В середине 1980-х годов Мишель Деворе присоединился к исследовательской группе Джона Кларка. В эту группу также входил Джон Мартинис. Вместе они взялись за непростую задачу — продемонстрировать макроскопическое квантовое туннелирование. Для защиты экспериментальной установки от всех помех, которые могли на нее повлиять, требовались огромные усилия и точность.

Для измерения квантовых явлений они подавали слабый ток в джозефсоновский переход и измеряли напряжение, которое зависит от электрического сопротивления в цепи. Напряжение на джозефсоновском переходе изначально было равно нулю, как и ожидалось. Затем они исследовали, сколько времени требуется системе для туннелирования из этого состояния, приводящего к появлению напряжения.

Поскольку квантовая механика предполагает элемент случайности, они провели многочисленные измерения и представили результаты в виде графиков, по которым можно было определить длительность состояния с нулевым напряжением.

Туннелирование продемонстрировало, как куперовские пары экспериментальной установки в своем синхронном танце ведут себя подобно единой гигантской частице. Исследователи получили дальнейшее подтверждение этому, обнаружив, что система имеет квантованные уровни энергии.

Квантовая механика получила свое название после наблюдения, что энергия в микроскопических процессах разделяется на отдельные пакеты — кванты. Лауреаты ввели микроволны различной длины волны в состояние с нулевым напряжением. Некоторые из них были поглощены, и система затем перешла на более высокий энергетический уровень. Это показало, что состояние с нулевым напряжением длится тем меньше, чем больше энергии содержится в системе — это в точности соответствует квантовой механике. Микроскопическая частица, запертая за барьером, ведет себя аналогичным образом.

Практическая и теоретическая польза

Этот эксперимент имеет значение для понимания квантовой механики. Микроскопические квантовые компоненты объединяются, создавая, например, лазеры, сверхпроводники и сверхтекучие жидкости.

Однако этот эксперимент измеряемое напряжение из состояния, которое само по себе является макроскопическим, в форме общей волновой функции для огромного числа частиц.

Теоретики, такие как Энтони Леггетт, сравнили макроскопическую квантовую систему лауреатов со знаменитым мысленным экспериментом Эрвина Шредингера с котом в коробке, где кот был бы одновременно и жив, и мёртв, если бы мы не заглянули внутрь. Целью его мысленного эксперимента было показать абсурдность этой ситуации, поскольку особые свойства квантовой механики часто стираются в макроскопических масштабах. Квантовые свойства целого кота невозможно продемонстрировать в эксперименте.

Однако серия экспериментов, проведенных Джоном Кларком, Мишелем Деворе и Джоном Мартинисом, показала существование явлений, в которых участвует огромное количество частиц, совместно ведущих себя в соответствии с предсказаниями квантовой механики. Макроскопическая система, состоящая из множества куперовских пар, все еще на много порядков меньше котенка, но для квантового физика она довольно похожа на воображаемого кота Шредингера.

Этот тип макроскопического квантового состояния открывает новые возможности для экспериментов. Его можно рассматривать как своего рода искусственный атом большого масштаба — атом «с кабелями и разъемами», который можно подключать к новым испытательным установкам или использовать в новых квантовых технологиях. Например, искусственные атомы используются для моделирования других квантовых систем и помогают в их понимании.

Другим примером служит эксперимент с квантовым компьютером, впоследствии проведенный Мартинисом, в котором он использовал точно такое же квантование энергии. Он использовал схему с квантованными состояниями в качестве единиц хранения информации — квантовый бит. Состояние наинизшей энергии и первая ступенька наверх функционировали как «ноль» и «единица» соответственно. Сверхпроводящие схемы — один из методов, изучаемых в попытках создания будущего квантового компьютера.

«Это также чрезвычайно полезно, поскольку квантовая механика лежит в основе всех цифровых технологий», — говорит Улле Эрикссон, председатель Нобелевского комитета по физике.

Нобелевская премия по физике этого года открыла возможности для разработки квантовых технологий, включая квантовую криптографию, квантовые компьютеры и квантовые датчики.