В этом году Нобелевскую премию по физике получили Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис за «прохождение сквозь стены», помните: как в Гарри Поттере на платформе 9 3/4?

Все дело в туннельном эффекте — возможности частицы проходить через энергетический барьер. Мы привыкли, что в классической («макро») системе мяч не сможет подняться в горку и перейти ее, если у него не хватает на это энергии, но в квантовом («микро») мире все иначе. В нем: мяч является одновременно и волной и частицей, а у волны всегда есть вероятность пройти через такой энергетический барьер. Все потому, что она не обязана резко обрываться на границе барьера. Волна может экспоненциально затухать, но проникать внутрь барьера, и если он не бесконечно «толстый», то «волновой хвостик» частицы будет существовать и с другой стороны барьера. А где есть ненулевая волновая функция, там есть и вероятность обнаружить саму частицу. Важно отметить, что в качестве энергетического барьера может выступать электрическое поле, ядерные силы и пр.

Рисунок 2. Когда вы бросаете мяч в стену, вы можете быть уверены, что он отскочит обратно. Вы были бы крайне удивлены, если бы мяч внезапно оказался по другую сторону от сплошной стены. Именно это явление и дало квантовой физике репутацию странной и нелогичной.  ©Йохан Ярнестад/Королевская шведская академия наук
Рисунок 2. Когда вы бросаете мяч в стену, вы можете быть уверены, что он отскочит обратно. Вы были бы крайне удивлены, если бы мяч внезапно оказался по другую сторону от сплошной стены. Именно это явление и дало квантовой физике репутацию странной и нелогичной.  ©Йохан Ярнестад/Королевская шведская академия наук

Ученые показали, что это работает не только для отдельных частиц, но и для целых мезоскопических систем (нечто среднее между макро‑ и микро миром). Эксперимент показал, что все электроны в сверхпроводящем контуре объединились в куперовские пары и стали вести себя как одна гигантская супер‑частица. Ее и заставили туннелировать в системе сверхпроводник‑диэлектрик‑сверхпроводник.

Второй подвиг ученых заключается в наблюдении дискретных уровней энергии в такой системе. Это как в атоме: электрон может устроиться вблизи ядра не любым образом (существуют определенные энергетические уровни)…. оказалось то же самое происходит и на больших масштабах. Ученые не просто увидели это — они научились этим управлять.

Лауреаты премии создали аналог такого атома в виде сверхпроводящего контура с Джозефсоновским контактом. В этом контуре все куперовские пары электронов вели себя как один гигантский «искусственный атом». Его коллективно�� квантовое состояние описывалось одной волновой функцией. У этого «атома» существовали строго определённые энергетические уровни. В самом нижнем состоянии («основном») ток в контуре тек без напряжения.

В обычном проводнике электроны сталкиваются друг с другом и с материалом. Когда материал становится сверхпроводником, электроны объединяются в пары – куперовские пары – и образуют ток, где сопротивление отсутствует. Разрыв на иллюстрации обозначает джозефсоновский переход. Куперовские пары могут вести себя так, как если бы они были единой частицей, заполняющей всю электрическую цепь. Квантовая механика описывает это коллективное состояние с помощью общей волновой функции. Свойства этой волновой функции играют ведущую роль в эксперименте лауреатов.  ©Йохан Ярнестад/Королевская шведская академия наук
В обычном проводнике электроны сталкиваются друг с другом и с материалом. Когда материал становится сверхпроводником, электроны объединяются в пары – куперовские пары – и образуют ток, где сопротивление отсутствует. Разрыв на иллюстрации обозначает джозефсоновский переход. Куперовские пары могут вести себя так, как если бы они были единой частицей, заполняющей всю электрическую цепь. Квантовая механика описывает это коллективное состояние с помощью общей волновой функции. Свойства этой волновой функции играют ведущую роль в эксперименте лауреатов.  ©Йохан Ярнестад/Королевская шведская академия наук

Для управления состоянием такого «атома» учёные облучали контур микроволнами. В итоге система поглощала микроволны только определённой частоты. Эта частота точно соответствовала разнице между её двумя дискретными энергетическими уровнями и как результат — перескок с основного уровня на более высокий (подобно электрону в атоме). Это и есть прямое доказательство дискретности — система вела себя не как классический объект (который бы просто нагревался), а как квантовый, принимая энергию только строго определёнными «порциями». Когда система находилась в возбужденном состоянии, вероятность туннелирования через энергетический барьер возрастала.

Раньше думали, что квантовая магия «стирается», когда система становится большой. Оказалось — нет! Если правильно организовать частицы (в сверхпроводящих контурах), они сохраняют свою «волшебную» природу.

Теперь станет возможным создание нового вида «квантового транзистора», который переключает не ток, а состояния системы. Это прямой путь к существованию стабильных кубитов, которые могут находиться одновременно в двух состояниях (как кот Шрёдингера), что даст квантовым компьютерам огромные вычислительные мощности.

Ученые не объединили квантовую и классическую физику (увы, Единой Теории Всего ещё нет). Но они стёрли жирную красную линию между ними, показав: дело не в размере, а в изоляции от шума. Если убрать «внешний шум» (декогеренцию), даже большие объекты можно заставить жить по квантовым законам.

Больше интересного читай в моем Telegram канале.