Нобелівська премія з фізики 2025 року: Квантова механіка від мікро до макро

Рівно через 100 років після відкриття квантової механіки Нобелівська премія з фізики 2025 року була присуджена трьом американським вченим, які продемонстрували, що дивні квантові ефекти можуть відбуватися у великих масштабах, відкривши нову еру для квантових технологій.

Вчені Джон Кларк, Мішель Х. Деворе та Джон М. Мартініс були оголошені лауреатами цьогорічної Нобелівської премії з фізики Королівською шведською академією наук на прес-конференції в Стокгольмі, Швеція, 7 жовтня - Фото: REUTERS

У 1925 році фізики Гейзенберг, Шредінгер і Дірак відкрили квантову механіку — дивне відкриття, яке змінило 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 те, як багатовікова квантова механіка продовжує приносити нові сюрпризи. Це також неймовірно корисно, адже квантова механіка є основою всіх цифрових технологій .

Олле Ерікссон (голова Нобелівського комітету з фізики, виступає)

Проривне відкриття ефекту тунелювання

Нобелівську премію з фізики 2025 року отримали троє американських фізиків, Джон Кларк, Мішель Г. Деворе та Джон М. Мартініс, за «відкриття макроскопічних квантових тунельних ефектів та квантування енергії в електричних колах», йдеться у повідомленні Нобелівського комітету.

Цьогорічна премія присуджена за серію експериментів, проведених ними у 1984 та 1985 роках на надпровідних схемах, які демонструють, що «тунелювання» – явище проходження частинок крізь бар'єри, яке може відбуватися 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.

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

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

У своїх експериментах троє вчених створили схеми з надпровідників, які могли проводити електричний струм без опору. Налаштовуючи та вимірюючи властивості схеми, вони могли контролювати явища, що відбувалися. Заряджені частинки, що рухалися через надпровідник, утворювали систему, яка поводилася так, ніби вони були однією частинкою, що заповнювала весь контур.

Ця система частинок спочатку перебуває в стані, коли струм протікає без напруги, ніби перекрита нездоланною перешкодою.

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

Ілюстрація квантово-механічного тунельного ефекту: киньте м'яч у стіну, і він відскочить назад. Але киньте мікроскопічну частинку, і вона пройде крізь стіну. Цей ефект зазвичай зменшується для великої групи частинок, тому ми ніколи не бачимо, щоб хтось проходив крізь стіну в повсякденному житті - Фото: ЙОХАН ЯРНЕСТАД/Шведська академія наук

Прокладаючи шлях для квантових технологій

Цей експеримент має важливі наслідки для розуміння квантової механіки. Раніше макроскопічні квантово-механічні ефекти включали безліч мікроскопічних частинок, об'єднаних для створення таких явищ, як лазери, надпровідники та надрідини. Однак експерименти трьох фізиків, лауреатів Нобелівської премії цього року, призвели до прямого макроскопічного ефекту.

Цей тип макроскопічного квантового стану відкриває новий потенціал для експериментів, що використовують явища, що керують мікроскопічним світом. Його можна розглядати як своєрідний штучний атом у великому масштабі, який використовується для моделювання та сприяння вивченню інших квантових систем.

Важливим застосуванням став квантовий комп'ютер, який Мартініс пізніше впровадив. Він використовував саме те квантування енергії, яке продемонстрували він та два його співлауреати Нобелівської премії, використовуючи схеми з квантованими станами як квантові біти або кубіти, де найнижчий енергетичний стан дорівнює 0, а вищий — 1.

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

Пан Кларк сказав, що їхні дослідження допомогли прокласти шлях для технологічних досягнень, таких як народження мобільних телефонів. Нобелівський комітет також підтвердив: «Сьогодні немає жодної передової технології, яка б не базувалася на квантовій механіці, включаючи: мобільні телефони, камери... та оптоволоконні кабелі».

Коли фізика та хімія зустрічаються у квантовому «тунелі»

Нобелівську премію з фізики за 2025 рік було присуджено трьом вченим за їхні відкриття в квантовій механіці 40 років тому. Цей результат не надто дивує, адже ЮНЕСКО обрала 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 і визначили стрибки енергії в електричних колах. Тунельний ефект незабаром став центральним поняттям для пояснення багатьох хімічних реакцій.

Це можна просто уявити, як під час проходження через перевал Хай Ван: реагентам часто доводиться «підніматися на перевал» з дуже високою енергією, але іноді вони «проходять крізь тунель», швидше долаючи енергетичний бар'єр, щоб створити 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 чудово поєднуються.

Професор Нгуен Мін Тхо - Почесний професор Університету KU Leuven, Бельгія

Повернутися до теми

Д-р Нгуєн Трунг Дан

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