Как увидеть квантовый мир невооруженным глазом: разбираем работу Нобелевских лауреатов по физике 2025 года

Существует две физические реальности. В повседневности поведение объектов вполне предсказуемо, и мяч всегда отскакивает от стены. Но есть еще и квантовая реальность, где частица может пройти сквозь барьер, подчиняясь законам вероятности.

Эти две реальности долго считались раздельными. Но работа, получившая Нобелевскую премию по физике 2025 года, соединила их. Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис заставили большой, видимый объект из миллиардов частиц вести себя как один квантовый атом.

Давайте разберемся что к чему.

Что такое квантовое туннелирование?

Вообразим шарик в неглубокой яме. Логично думать, что чтобы он выкатился, ему нужна энергия для преодоления края этой ямы.

В квантовой физике есть другой вариант. Частица в такой «энергетической яме» может с некоторой вероятностью появиться за ее границами. Этот эффект называют квантовым туннелированием, и это базовое свойство природы. Оно объясняет, почему светит солнце и как происходит некоторый радиоактивный распад.

Долго думали, что это свойство только одиночных частиц. Миллиарды атомов в мяче не могут вместе «протуннелировать» сквозь стену, потому что их отдельные квантовые вероятности мешают друг другу. Физики задали себе вопрос: можно ли сделать систему, где миллиарды частиц действуют как одна?

Рецепт макроскопической квантовой системы

Тут нужно вспомнить о сверхпроводимости. Сверхпроводники — это материалы, которые при очень низких температурах проводят ток без сопротивления. Но для нашей задачи важно другое их свойство — как в них ведут себя электроны.

В обычном проводнике электроны движутся беспорядочно, сталкиваясь друг с другом и с решеткой материала. В сверхпроводнике они создают пары, которые называют парами Купера.

Одиночные электроны не могут быть в одном состоянии. Пары Купера — могут. Они перестают быть отдельными и действуют как единое целое. Все миллиарды этих пар описываются одной математической формулой — общей волновой функцией. Простыми словами, весь ток в сверхпроводнике ведет себя как одна частица, просто очень большая.

Такую систему и сделали лауреаты — они взяли два сверхпроводника и поставили между ними тонкий слой изолятора. Этот барьер называют переходом Джозефсона, он и стал той «стеной», через которую должна была туннелировать их большая система.

Эксперимент: побег из энергетической ловушки

Итак, у исследователей был объект — ток из пар Купера, который действовал как единое целое. И была преграда — переход Джозефсона. Как они зафиксировали туннелирование?

1. Создание ловушки. Система сначала была в состоянии с нулевым напряжением. Ток шел, но электрического потенциала на переходе не было. Это была «энергетическая яма», из которой система не могла выйти по законам обычной физики.
2. Наблюдение за «побегом». Ученые пускали в цепь слабый ток и ждали. Они измеряли, сколько времени нужно системе, чтобы самой перейти из состояния с нулевым напряжением в состояние с напряжением. Этот скачок и был наблюдаемым квантовым туннелированием, ведь вся система целиком «проходила» сквозь энергетический барьер.
3. Статистика подтверждает. Туннелирование — случайный процесс, поэтому одного наблюдения мало. Исследователи сделали тысячи измерений и посчитали среднее «время жизни» системы в запертом состоянии. Результаты совпали с предсказаниями квантовой теории для большого объекта.

Ожидаемый результат получен: объект из миллиардов частиц подчинялся законам квантовой физики.

Еще одно доказательство: энергия порциями

Чтобы быть полностью уверенными, команда проверила еще одно базовое квантовое свойство — квантование энергии. В микроскопических системах энергия принимает только определенные значения. Система может быть только на конкретных энергетических уровнях, как на ступенях лестницы.

Ученые направляли на свою систему микроволны разной частоты, давая ей дополнительную энергию. Система повела себя как квантовый объект:

• Она забирала энергию только точными порциями (квантами). Эти порции отвечали расстоянию между ее энергетическими «ступенями».
• Когда система получала квант энергии и поднималась на уровень выше, она туннелировала из ловушки намного быстрее.

Это и стало последним доказательством. Лауреаты создали рукотворный большой объект, которым можно было управлять.

Есть ли практическая польза?

Работа Кларка, Деворе и Мартиниса приводит к двум выводам.

Во-первых, эта работа стирает границу между квантовой и обычной физикой. Становится понятно, что важен не размер, а согласованность действий частиц. Наша повседневная реальность кажется обычной не из-за своего размера, а из-за большого количества беспорядка, который ломает эту квантовую синхронизацию.

Во-вторых, эта работа стала основой для квантовых компьютеров. Идея кубита — квантового бита, который может быть и 0, и 1 — прямо следует из существования таких уровней энергии. «Искусственный атом», который сделали ученые, был одним из первых примеров кубита. Джон Мартинис после этого руководил командой Google, которая применяла именно такие сверхпроводниковые схемы.