- Статьи
- Наука и техника
- На макромировой арене: Нобелевку по физике дали за развитие квантовых технологий
На макромировой арене: Нобелевку по физике дали за развитие квантовых технологий
Исследования, которые в 2025 году отметили Нобелевской премией по физике, могут стать основой для развития квантовых технологий нового поколения. В том числе многокубитных квантовых компьютеров, высокочувствительных медицинских приборов и сверхточной измерительной техники для изучения темной материи и гравитационных волн. За что присудили награду и как исследователи и инженеры-конструкторы по всему миру смогут использовать эти достижения на практике — в материале «Известий».
Кто стал лауреатом Нобелевской премии по физике
7 октября объявили лауреатов Нобелевской премии по физике. Ими стали Джон Кларк (Великобритания), Майкл Деворе (Франция), Джон Мартинис (США). Как сообщили на сайте Нобелевского комитета, награду присудили за открытие эффектов «макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи».
Джон Кларк (Великобритания), Майкл Деворе (Франция), Джон Мартинис (США) объявлены лауреатами Нобелевской премии по физике этого года
— Один из главных вопросов в физике — это максимальный размер системы, в которой могут проявляться квантово-механические эффекты. Лауреаты этого года провели эксперименты с электрической цепью, в которых продемонстрировали как квантово-механическое туннелирование, так и квантование энергетических уровней в системе, достаточно большой, чтобы ее можно было держать в руке, — пояснили в официальном релизе комитета.
Прежде квантовые явления, такие как туннелирование (преодоление энергетического барьера без достаточной энергии) и квантование (дискретность допустимых энергетических состояний), наблюдались только в микромире, пояснил директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров. То есть для отдельных атомов, электронов и фотонов.
— Прорыв Кларка, Девора и Мартиниса заключался в том, что они впервые экспериментально доказали: эти «странные» квантовые эффекты могут происходить и с макроскопическими объектами, состоящими из миллиардов атомов, — рассказал эксперт.
По его словам, ключевым объектом исследований лауреатов был джозефсоновский контакт. Это структура, в которой два сверхпроводника разделены тонким слоем диэлектрика (изолятора). В частности, исследователи показали, что электрический ток в такой структуре может «протуннелировать» через изолирующий барьер, хотя классическая физика это запрещает. Ученые наблюдали этот эффект для системы, размеры которой в миллиарды раз превышают размеры элементарных частиц.
Член Нобелевского комитета по физике, профессор Йоран Йоханссон
— Кроме того, было продемонстрировано, что такие макроскопические системы могут обладать дискретными уровнями энергии — свойством, типичным для отдельных квантовых объектов, таких как электроны в атомах. Эти дискретные уровни сегодня активно используют в сверхпроводящих кубитах, которые составляют основу квантовых компьютеров, разрабатываемых как в России, так и за рубежом, — сообщил главный научный сотрудник физического факультета Университета ИТМО Иван Иорш.
Исследование лауреатов открыло возможности для разработки квантовых технологий следующего поколения, включая квантовую криптографию, вычислители и сенсоры, отметил он.
В чем значение открытия квантовых эффектов на макроуровне
— Туннелирование — один из ключевых эффектов квантовой механики. В классической механике частица не может пройти через область с энергией выше ее собственной, однако квантовые частицы благодаря своей волновой природе способны «туннелировать» через такие барьеры. Исторически этот эффект был теоретически описан в конце 1920-х годов сразу несколькими группами ученых, — объяснил «Известиям» ведущий научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, член-корреспондент РАН Александр Иванчик.
Впоследствии туннелирование стало фундаментом для объяснения множества явлений в физике и химии. Например, оно играет важную роль в ядерных реакциях и в работе полупроводниковых приборов, пояснил он. В настоящее время туннельный эффект лежит в основе работы множества устройств микроэлектроники, включая диоды, транзисторы, элементы памяти и датчики.
Однако фундаментальное значение открытия, удостоенного Нобелевской премии, связано именно с тем, что квантовые эффекты могут проявляться на макроскопическом уровне, подчеркнул ученый.
По его словам, в будущем эти исследования могут способствовать развитию технологий квантовой телепортации — мгновенной передачи квантового состояния — между крупными объектами. То есть не только между отдельными частицами, но также и между системами, которые состоят из миллиардов множества атомов.
— Награду дали за исследование эффектов, которые возникают в электрических цепях при очень низких температурах. Оказывается, в таком случае квантовая физика начинает играть очень большую роль. В том числе проявляется такой эффект, как сверхпроводимость — возможность передачи энергии без потерь на сопротивление, — отметил руководитель научной группы Российского квантового центра, директор Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС, заместитель председателя научного комитета национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Алексей Федоров.
По его мнению, такие исследования имеют много интересных фундаментальных направлений. В частности, на базе сверхпроводниковых цепочек делают сверхчувствительные сенсоры для электромагнитных полей. Также такие структуры — одна из лидирующих элементных баз и платформ для квантовых вычислений.
— Задача конструкторов сегодня — в том, чтобы такие макроскопические электронные системы начали вести себя как некий реальный кристалл твердого тела, — пояснил профессор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Владимир Решетов.
Вид на Королевскую шведскую академию наук, где были объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике
Достоинство макроскопических квантовых систем в том, что можно также макроскопически на нее воздействовать, пояснил он. Например, создавать измерительные системы, которые измеряют квантовые явления. Достижения, отмеченные премией, дали импульс для поиска новых физических эффектов, которые способны расширить возможности квантовых технологий.
В частности, они заложили основу для создания самых точных датчиков магнитного поля, которые используют в медицине (для неповреждающего исследования активности мозга), геологии (для поиска полезных ископаемых) и фундаментальной науке (для изучения темной материи, измерения гравитационных волн), добавил он.
— Ключевые идеи и разработки в области создания сверхпроводниковых кубитов, многокубитных квантовых сопроцессоров на их основе, разработки многих квантовых алгоритмов были впервые продемонстрированы группой Мартинса. Кроме того, серия пионерских работ Мишеля Деворе в сфере устройств квантовой памяти, нелинейных явлений, криогенных усилителей для считывания квантовых процессоров проложила путь к практическим квантовым вычислениям, — считает директор исследовательского центра МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП ВНИИА Илья Родионов.
Нынешняя премия — это знаковое событие, поскольку самые эффективные и массово апробированные квантовые компьютеры в мире построены на сверхпроводниковой платформе, резюмировал эксперт.
