Нобелівську премію з фізики отримали творці квантових схем

Нобелівську премію з фізики 2025 року присуджено трьом квантовим фізикам — Джону Кларку, Мішелю Деворе та Джону Мартінісу — за вивчення квантової механіки в макроскопічних електричних колах. Після оголошення премії домашні інституції лауреатів у Берклі, Санта-Барбарі та Нью-Гейвені охопили радість та ентузіазм.

Присудження цієї престижної нагороди за піонерські дослідження в квантовій фізиці збіглося зі сторіччям від народження квантової механіки — революційної наукової теорії, що формує основу сучасної фізики. Квантову механіку спочатку сформулювали для пояснення та передбачення незрозумілої поведінки атомів, молекул та субатомних частинок. Відтоді вона відкрила шлях для широкого спектра практичних застосувань, включаючи прецизійні вимірювання, лазерні технології, медичну візуалізацію та, мабуть, найбільш далекосяжне з усього — напівпровідникові електронні пристрої та комп'ютерні чіпи.

Проте численні аспекти квантового світу довго залишалися таємничими для науковців та інженерів. З експериментальної точки зору, крихітний масштаб мікроскопічних частинок створює видатні виклики для вивчення тонких законів квантової механіки в лабораторних умовах.

З останніх десятиліть минулого століття дослідники по всьому світу намагалися точно ізолювати, контролювати та вимірювати окремі фізичні об'єкти, такі як поодинокі фотони та атомні іони, які демонструють квантову поведінку за дуже специфічних експериментальних умов. Ці зусилля породили нову галузь квантової інженерії, яка прагне використовувати особливості квантової фізики для проривних технологічних інновацій.

Одним з найперспективніших напрямків є квантова обробка інформації, метою якої є проектування та впровадження машин, здатних кодувати, обробляти, передавати та виявляти інформацію дивними квантовими способами. Наприклад, об'єкт може перебувати в суперпозиції різних станів одночасно. Віддалені об'єкти можуть виявляти квантову заплутаність — дистанційні кореляції, що уникають будь-якої можливої класичної інтерпретації. Порівняно зі своїми звичайними електронними попередниками, квантові інформаційні машини можуть мати переваги в специфічних завданнях обчислення, симуляції, криптографії та сенсорики.

Реалізація таких квантових машин вимагала б від експериментаторів доступу до надійних фізичних компонентів, які можна зібрати та контролювати на людському масштабі, але які повністю підкоряються квантовій механіці. Як би парадоксально це не звучало, чи можемо ми зламати неявні межі природного світу та привнести мікроскопічні фізичні закони в макроскопічну реальність?

У 1985 році троє нобелівських лауреатів — тоді працюючи в одній дослідницькій групі в Каліфорнійському університеті в Берклі — надали ствердну відповідь на це питання. Вони вивчали електричні кола, виготовлені з надпровідників. Надпровідність — це особливий стан матерії, відомий тим, що проводить електричні струми без опору завдяки базовим квантово-механічним взаємодіям електронів за низьких температур. Вперше тріо спостерігало чіткі квантові поведінки макроскопічної фізичної змінної.

У надпровіднику два електрони зв'язуються разом, утворюючи куперівську пару. Ці електронні пари конденсуються в макроскопічний стан, який можна описати колективною фазовою змінною, спільною для всіх її мікроскопічних складових. У цьому стані трильйони або більше електронів ефективно поводяться як єдина сутність, нагадуючи масові скупчення атомів, що формують повсякденні об'єкти, як маятники або більярдні кулі.

Щоб спостерігати квантово-механічний рух цієї макроскопічної фазової змінної, троє вчених виготовили пристрій під назвою джозефсонівський контакт, який складається з двох шматків надпровідників, розділених ізоляторним шаром тоншим за одну десятитисячну людського волосся. Вони виявили, що за достатньо низьких температур нижче мінус 273 градусів Цельсія різниця фазової змінної через джозефсонівський контакт демонструє унікальне квантово-механічне явище, відоме як квантове тунелювання, де об'єкт може уникнути бар'єра без необхідності піднятися через його вершину.

Крім того, команда піддала джозефсонівський контакт мікрохвильовому електромагнітному випромінюванню, частота якого близька до частоти сигналів вайфай. Вони виміряли енергетичні рівні кола при дискретних або квантованих значеннях, які зазвичай присутні лише в мікроскопічних атомах та молекулах. Пристрій, використаний у цих експериментах, можна назвати штучним атомом — електричним колом з атомоподібними властивостями, яке водночас є макроскопічним за розміром, регульованим за конструкцією та квантово-механічним за природою.

Проривні роботи Кларка, Деворе та Мартініса мали багато глибоких впливів. На фундаментальному рівні вони припустили, що чіткі квантові явища, які колись вважалися існуючими лише на мікроскопічному рівні, насправді можуть проявлятися на набагато більших фізичних масштабах. Водночас винахід надпровідних штучних атомів відкрив абсолютно нові шляхи до побудови корисних квантових машин з передовими інженерними методами.

На основі цих відкриттів дослідники, включаючи цих нобелівських лауреатів та їхні дослідницькі групи, досягли значних успіхів у конструюванні прототипів квантових комп'ютерів з використанням надпровідних квантових схем у наступні десятиліття. Елементарним пристроєм, що складає ці інформаційні процесори, є надпровідний квантовий біт або кубіт. Кожен надпровідний кубіт є штучним атомом, що містить один або більше джозефсонівських контактів. Його квантовий стан може бути точно підготовлений, маніпульований та виміряний експериментаторами. Вдосконалення та інтеграція надпровідних кубітів належать до найсучасніших викликів у квантовій інформаційній технології.

Нобелівська премія з фізики 2025 року визнає оригінальні дослідження на перетині фундаментальних та прикладних наук. Лауреати перевірили глибокі квантово-механічні гіпотези через чіткі та суворі експерименти. З тих штучних атомів виникли сміливі зусилля та швидкий прогрес у побудові практичних квантових інформаційних машин. Поєднання чистих інтелектуальних досліджень та інженерного прогресу формує цю міждисциплінарну галузь з моменту її створення.