Нобелівська премія з фізики 2025 року: Квантова механіка від мікроскопічного до макроскопічного

Рівно через 100 років після відкриття квантової механіки Нобелівська премія з фізики 2025 року вшановує трьох американських вчених, які продемонстрували, що дивні квантові ефекти можуть відбуватися у великих масштабах, започаткувавши нову еру квантових технологій.

7 жовтня Королівська шведська академія наук на прес-конференції в Стокгольмі, Швеція, оголосила лауреатів цьогорічної Нобелівської премії з фізики вчених Джона Кларка, Мішеля Х. Деворе та Джона М. Мартініса. - Фото: REUTERS

У 1925 році фізики Гейзенберг, Шредінгер і Дірак відкрили квантову механіку — визначне відкриття, яке мало вплив на світ .

Рівно через 100 років Нобелівську премію з фізики 2025 року було присуджено трьом американським фізикам, які принесли ефект квантового тунелювання – дивний мікроскопічний квантовий ефект – у макроскопічний світ, відкривши багато новаторських застосувань.

Чудово мати можливість відзначати, як квантова механіка існує вже століттями, постійно підносячи нові сюрпризи. Це також неймовірно корисно, адже квантова механіка є основою всіх цифрових технологій .

Олле Ерікссон (голова Нобелівського комітету з фізики, виступає)

Новаторське відкриття щодо ефекту тунелювання.

Нобелівську премію з фізики 2025 року отримали троє американських фізиків, Джон Кларк, Мішель Г. Деворе та Джон М. Мартініс, за «їхнє відкриття макроскопічного квантового тунелювання та квантування енергії в електричних колах», йдеться в оголошенні Нобелівського комітету.

Цьогорічна премія відзначає серію експериментів, проведених ними у 1984 та 1985 роках на надпровідних схемах, які демонструють, що «тунелювання» — явище проходження частинок крізь бар'єри, яке раніше вважалося можливим лише в квантовій механіці, — може відбуватися в набагато більших масштабах, ніж вважалося раніше.

Професор Джон Кларк, який отримав ступінь доктора філософії в Кембриджському університеті в 1968 році, є професором фізики в Каліфорнійському університеті в Берклі з 1969 року. Наразі він є почесним професором аспірантури університету.

Мішель Х. Деворе, який народився в Парижі та отримав там докторський ступінь, є почесним професором прикладної фізики Єльського квантового інституту Єльського університету.

Доктор Джон М. Мартініс має ступінь доктора філософії Каліфорнійського університету в Берклі. Після викладання в університеті він нещодавно працював у команді Google з квантового штучного інтелекту.

В середині 1980-х років Деворет приєднався до дослідницької групи Кларка як постдокторант разом із докторантом Мартінісом. Разом вони взялися за завдання продемонструвати ефекти квантового тунелювання на макроскопічному рівні.

В експериментах троє вчених побудували електричне коло з надпровідника, яке могло проводити струм без опору. Завдяки точному налаштуванню та вимірюванню властивостей кола вони змогли контролювати результуючі явища. Заряджені частинки, що рухалися через надпровідник, утворювали систему, яка діяла так, ніби вони були однією частинкою, що заповнювала все коло.

Ці частинки спочатку перебувають у стані, коли через них протікає струм без напруги, ніби вони блоковані нездоланним бар'єром.

В експерименті система продемонструвала квантові властивості, вийшовши з цього стану за допомогою ефекту квантового тунелювання. Троє вчених також довели, що система квантована, тобто вона поглинає або випромінює лише певну кількість енергії.

Ілюстрація тунельного ефекту квантової механіки: киньте м'яч об стіну, і він відскочить назад. Але киньте крихітну частинку, і вона пройде крізь неї на інший бік стіни. Цей ефект має тенденцію зменшуватися зі збільшенням кількості частинок, тому ми ніколи не бачимо, щоб хтось проходив крізь стіни у повсякденному житті. - Фото: ЙОХАН ЯРНЕСТАД/Шведська академія наук

Прокладаючи шлях для квантових технологій.

Цей експеримент має важливі наслідки для нашого розуміння квантової механіки. Раніше квантово-механічні ефекти на макроскопічному рівні включали безліч мікроскопічних частинок, які об'єднувалися для створення таких явищ, як лазери, надпровідники та надплинні рідини. Однак експерименти трьох фізиків, які отримали цьогорічну Нобелівську премію, призвели до прямого макроскопічного ефекту.

Цей тип макроскопічного квантового стану відкриває новий потенціал для експериментів з використанням явищ, що керують мікроскопічним світом. Його можна розглядати як форму штучного атома у великому масштабі, що використовується для моделювання та сприяння дослідженням інших квантових систем.

Одним із важливих застосувань став квантовий комп'ютер, пізніше розроблений Мартінісом. Він використовував саме квантування енергії, яке продемонстрували він та два лауреати Нобелівської премії, застосовуючи схеми з квантованими станами як квантовими бітами або кубітами, де найнижчий енергетичний стан дорівнював 0, а вищі рівні — 1.

Надпровідні схеми – один із методів, що досліджуються в рамках зусиль зі створення квантових комп’ютерів. Мартініс очолював дослідницьку групу Google з квантових обчислень з 2014 по 2020 рік.

Кларк заявив, що їхні дослідження сприяли прокладанню шляху для технологічних досягнень, таких як винахід мобільного телефону. Нобелівський комітет також підтвердив: «Сьогодні немає жодної передової технології, яка б не базувалася на квантовій механіці, включаючи мобільні телефони, камери... та волоконну оптику».

Коли фізика та хімія зустрічаються у квантовому «тунелі».

Нобелівську премію з фізики 2025 року присудять трьом вченим за їхні відкриття в квантовій механіці 40 років тому. Цей результат не є зовсім несподіваним, оскільки ЮНЕСКО оголосила 2025 рік Міжнародним роком квантової науки і технологій.

Нобелівський комітет заявив: «Квантова механіка є основою всіх цифрових технологій… Їхні експерименти заклали основу для нових технологічних досягнень, заснованих на квантових принципах».

Ці троє фізиків відкрили тунельний ефект та визначили стрибки енергії в електричних колах. Тунельний ефект незабаром став центральним поняттям для пояснення багатьох хімічних реакцій.

Простіше кажучи, уявіть собі перетин перевалу Хай Ван: реагенти зазвичай повинні «підніматися перевалом» з дуже високою енергією, але іноді вони «проходять тунель», швидше долаючи енергетичний бар'єр, щоб ініціювати реакцію.

Тунелювання викладається на університетському рівні в підручниках з хімічної кінетики та моделюється за допомогою квантових методів під час розрахунку констант швидкості реакцій. Фізика та хімія знову дивовижним чином переплетені.

Професор Нгуєн Мінь Тхо - почесний професор Університету KU Leuven, Бельгія

Повертаючись до теми

Доктор Нгуєн Чунг Дан

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