Нобелевская премия по физике 2025 года: квантовая механика от микро- до макромира

Ровно через 100 лет после открытия квантовой механики Нобелевская премия по физике 2025 года была присуждена трем американским ученым, которые продемонстрировали, что странные квантовые эффекты могут возникать в больших масштабах, открыв новую эру квантовых технологий.

На пресс-конференции в Стокгольме, Швеция, 7 октября, Королевская Шведская академия наук объявила учёных Джона Кларка, Мишеля Х. Деворе и Джона М. Мартиниса лауреатами Нобелевской премии по физике этого года. Фото: REUTERS

В 1925 году физики Гейзенберг, Шредингер и Дирак открыли квантовую механику — странное открытие, которое изменило мир .

Ровно 100 лет спустя Нобелевская премия по физике 2025 года была присуждена трем американским физикам, которые вывели эффект квантового туннелирования — странный микроскопический квантовый эффект — в макроскопический мир, открыв множество новаторских приложений.

Замечательно, что мы можем радоваться тому, как многовековая квантовая механика продолжает преподносить новые сюрпризы. Это также невероятно полезно, поскольку квантовая механика — основа всех цифровых технологий .

Олле Эрикссон (выступает председатель Нобелевского комитета по физике)

Прорывное открытие туннельного эффекта

Согласно объявлению Нобелевского комитета, Нобелевскую премию по физике 2025 года получили трое американских физиков — Джон Кларк, Мишель Х. Деворе и Джон М. Мартинис — за «открытие макроскопических эффектов квантового туннелирования и квантования энергии в электрических цепях».

Премия этого года присуждена за серию экспериментов, проведенных ими в 1984 и 1985 годах на сверхпроводящих цепях, которые продемонстрировали, что «туннелирование» — явление прохождения частиц через барьеры, которое может происходить только в квантовой механике, — может происходить в гораздо больших масштабах, чем считалось ранее.

Профессор Джон Кларк, получивший докторскую степень в Кембриджском университете в 1968 году, с 1969 года является профессором физики в Калифорнийском университете в Беркли. В настоящее время он является почетным профессором аспирантуры этого университета.

Мишель Х. Деворе, родившийся в Париже и получивший там докторскую степень, является почетным профессором прикладной физики в Йельском квантовом институте Йельского университета.

Джон М. Мартинис получил докторскую степень в Калифорнийском университете в Беркли. После преподавания в университете он работал в группе Google, занимающейся квантовым искусственным интеллектом.

В середине 1980-х годов г-н Деворет присоединился к исследовательской группе г-на Кларка в качестве постдокторанта вместе со своим аспирантом Мартинисом. Вместе они поставили перед собой задачу продемонстрировать эффект квантового туннелирования на макроскопическом уровне.

В своих экспериментах трое учёных построили цепи из сверхпроводников, способные проводить электрический ток без сопротивления. Изменяя и измеряя свойства цепи, они могли контролировать происходящие явления. Заряженные частицы, движущиеся по сверхпроводнику, образовывали систему, которая вела себя так, как будто была единой частицей, заполняющей всю цепь.

Эта система частиц изначально находится в состоянии, когда ток течет без напряжения, как будто заблокированный непреодолимым барьером.

В ходе эксперимента система продемонстрировала квантовые свойства, выйдя из этого состояния посредством эффекта квантового туннелирования. Трое учёных также продемонстрировали, что система квантована, то есть поглощает или испускает только определённое количество энергии.

Иллюстрация квантово-механического туннельного эффекта: бросьте мяч в стену, и он отскочит. Но бросьте микроскопическую частицу, и она пройдёт сквозь стену. Этот эффект обычно ослабевает для большой группы частиц, поэтому мы никогда не видим, как кто-то проходит сквозь стену в повседневной жизни. Фото: Йохан Ярнестад/Шведская академия наук

Прокладывая путь квантовым технологиям

Этот эксперимент имеет важные последствия для понимания квантовой механики. Ранее макроскопические квантово-механические эффекты включали взаимодействие множества микроскопических частиц, приводящее к таким явлениям, как лазеры, сверхпроводники и сверхтекучесть. Однако эксперименты трёх физиков, лауреатов Нобелевской премии этого года, продемонстрировали прямой макроскопический эффект.

Этот тип макроскопического квантового состояния открывает новые возможности для экспериментов, исследующих явления, управляющие микроскопическим миром. Его можно рассматривать как своего рода искусственный атом большого масштаба, используемый для моделирования и изучения других квантовых систем.

Важным приложением стал квантовый компьютер, который Мартинис позже реализовал. Он использовал именно то квантование энергии, которое он и два его со-лауреата Нобелевской премии продемонстрировали, используя схемы с квантованными состояниями в виде квантовых битов или кубитов, где наименьшее энергетическое состояние равно 0, а наибольшее — 1.

Сверхпроводящие схемы — один из методов, изучаемых в рамках усилий по созданию квантовых компьютеров. Мартинис возглавлял исследовательскую группу Google по квантовым вычислениям с 2014 по 2020 год.

Г-н Кларк заявил, что их исследования проложили путь технологическому прогрессу, такому как появление мобильных телефонов. Нобелевский комитет также подтвердил: «Сегодня нет ни одной передовой технологии, которая не была бы основана на квантовой механике, включая мобильные телефоны, фотоаппараты... и оптоволоконные кабели».

Когда физика и химия встречаются в квантовом «туннеле»

Нобелевская премия по физике 2025 года была присуждена трём учёным за открытия в области квантовой механики, сделанные 40 лет назад. Этот результат неудивителен, поскольку ЮНЕСКО объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий.

Нобелевский комитет заявил: «Квантовая механика является основой всех цифровых технологий… Их эксперименты заложили основу для новых технологических достижений, основанных на квантовых принципах».

Эти три физика открыли туннельный эффект и определили скачки энергии в электрических цепях. Вскоре туннельный эффект стал центральной концепцией для объяснения многих химических реакций.

Это можно просто представить, как при прохождении перевала Хайвань: реагентам часто приходится «подниматься на перевал» с очень высокой энергией, но иногда они «проходят через туннель», быстрее преодолевая энергетический барьер, чтобы вызвать реакцию.

Туннелирование изучается в университетских учебниках по химической кинетике и моделируется квантовыми методами при расчёте констант скорости реакции. Физика и химия, опять же, прекрасно сочетаются.

Проф. Нгуен Минь Тхо – Почетный профессор Левенского университета, Бельгия

Вернуться к теме

Д-Р НГУЕН ЧРУНГ ДАН

Источник: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm