Шведська королівська академія наук 7 жовтня ухвалила рішення присудити Нобелівську премію з фізики в 2025 році британцю Джону Кларку з університету Каліфорнії в Берклі, французу Мішелю Деворе з Єльського університету та університету Каліфорнії у Санта-Барбарі, та американцю Джону Мартінісу з університету Каліфорнії у Санта-Барбарі «за відкриття макроскопічного квантово-механічного тунелювання і квантування енергії в електричному колі». Символічно, що її вручили через 100 років після зародження сучасної квантової механіки. Але не так просто одразу побачити унікальність цієї премії у порівнянні з деякими попередніми, що стосувалися надпровідності.
Для того, щоб зрозуміти що зробили лауреати, краще почати зі звичного механічного — маси на пружині. Його цікавою та корисною для застосувань рисою є те, що частота коливань в ідеальному випадку не залежить від амплітуди (чи швидкості). Фізикам зручно описувати стан такої системи через енергію, яка пропорційна квадрату його амплітуди. Саме завдяки стабільності частоти подібні осцилятори використовуються у механічних годинниках.
У великих годинниках осцилятор легше було зробити у формі маятника. А що буде, якщо такий механічний осцилятор зменшувати? Виявилось, що на дуже малих розмірах, коли можна буквально порахувати кількість атомів в осциляторі, його поведінка стає дуже дивною. Сто років тому її стали називати квантовою, тому що така маленька маса, яку вже краще називати частинкою, здається, починає рухатись стрибками, неначе «розмазується» у просторі в пунктирну лінію, чи краще сказати — хвилю, а його енергія «квантується», тобто стає дискретною — може набирати лише певних значень. Ба більше, такий квантовий осцилятор не можна повністю зупинити — існує найменша енергія, яка відповідає . І саме так описуються коливання атомів і пов’язані з ними властивості молекул та кристалів. Але чи можна побачити квантові ефекти на великих обʼєктах?
Премію цього року присудили за експериментальне спостереження квантових ефектів — тунелювання та квантування енергії1,2,3 — у макроскопічному надпровідному осциляторі, який є електричним аналогом механічного осцилятора з дуже низьким затуханням: його динаміка описується тими ж рівняннями, але роль маси виконує ємність, а координати коливань — фаза.
Тунелювання є найвідомішим експериментом, що виявляє квантову поведінку малих частинок. Можна сказати, що саме «розмазаність» частинок у просторі дозволяє їм за певних умов «проходити крізь стіни» — тунелювати крізь потенційний бар’єр, енергія якого є більшою, ніж енергія частинки. Це фундаментальне явище, яке, наприклад, робить можливою радіоактивність. Однак досліджувати та використовувати ефект тунелювання найкраще на електронах, що можуть вільно пересуватись в металах. Якщо два провідники розвести на невелику відстань — створити потенційний барʼєр — то можна спостерігати квантове тунелювання електронів між ними.
Звісно, тунелювати можуть не тільки електрони. Так, у надпровідниках електрони об’єднуються у пари, і їхнє колективне тунелювання через бар’єр створює когерентний (взаємопов’язаний) струм із новими цікавими властивостями, нині відомими як ефекти Джозефсона. Ці пари формують конденсат, який можна описати як макроскопічну хвильову функцію з амплітудою та фазою, причому саме різниця фаз між двома надпровідниками керує тунельним струмом. Браян Джозефсон (теоретик) разом із Лео Есакі та Айваром Джайєвером (експериментатори) отримали за це Нобелівську премію 1973 року: Джозефсон — «за теоретичне передбачення властивостей струму через тунельний бар’єр, зокрема явищ, відомих як ефекти Джозефсона», а Есакі та Джайєвер — «за експериментальні відкриття тунельних явищ у напівпровідниках і надпровідниках».
Надпровідне кільце є іншим яскравим прикладом макроскопічної реалізації квантових ефектів — квантування магнітного потоку. Ефект пов’язаний з умовою, що по периметру кільця має вкладатися ціле число хвиль надпровідного конденсату, або, іншими словами, що зміна фази при обході кільця кратна 2π. Але цей ефект статичний, адже фаза надпровідного конденсату в кільці майже не змінюється через велику ефективну масу (ємність) конденсату.
Проте у Джозефсонівському контакті різниця фаз між двома надпровідниками може легко , якщо ємність контакту буде достатньо мала. Тобто щоб перевести надпровідний осцилятор у квантовий режим, достатньо зменшити ємність контакту. В цьому полягала ідея Ентоні Леґґетта (одного з лауреатів Нобелівської премії 2003 року «за створення теорії надпровідності другого роду та теорії надплинності рідкого гелію-3»), яку Кларк, Деворе та Мартініс змогли реалізувати експериментально у 1984–1985 роках. Вони продемонстрували: якщо через контакт пропускати струм, профіль його потенційної енергії «нахиляється», і стан контакту з фіксованою фазою може тунелювати через бар’єр у резистивний стан, де фаза постійно змінюється. При цьому мікрохвилі збуджують переходи між квантовими рівнями і дають змогу підвищувати ймовірність такого тунелювання.
Цікаво, що українські вчені незалежно досліджували схожі системи, і нинішні Нобелівські лауреати в роботі 1987 року4 посилаються на роботу Іванченка та Зільбермана5, які на той час працювали у відділі теоретичної фізики Донецького фізико-технічного інституту, як на «перший теоретичний опис макроскопічного квантового тунелювання у джозефсонівських контактах», та на експериментальну роботу Дмитренка, Хлуса, Цоя та Шниркова6, співробітників Харківського фізико-технічного інституту низьких температур. Однак у 1985 були опубліковані результати і інших експериментів, в яких було переконливо продемонстровано перевагу квантових флуктуацій над температурними, наприклад, у таких макроскопічних системах як SQUID (надпровідний інтерферометр)7. Тому, на нашу думку, вибір цьогорічних лауреатів більше визначався подальшим застосуванням цих ефектів у надпровідних квантових компʼютерах.
Сучасні надпровідні кубіти, на основі яких команда Мартінеса будувала квантовий комп’ютер в компанії Google, використовують Джозефсонівські контакти для створення двох «станів» — |0⟩ і |1⟩. Квантова фаза надпровідного конденсату дозволяє керувати цими станами та виконувати обчислювальні операції, а надпровідність забезпечує дуже низьке енергетичне розсіювання, завдяки чому кубіти зберігають свою когерентність (залишаються в заплутаному стані).
Чи стане це відкриття основним будівельним блоком майбутніх квантових комп’ютерів, чи для цього будуть використані інші ідеї, як то топологічна надпровідність та Майоранівські ферміони, покаже лише час. Проте беззаперечним залишається те, що праця цих вчених вже значно поглибила розуміння різних квантових систем та квантової фізики загалом, а також дозволила розробити нові типи сенсорів та квантових приладів.
Автори вдячні Володимиру Шниркову, Сергію Толпиго та Михайлу Білоголовському за корисні обговорення та цінні коментарі.
