Нобелевская премия по физике 2025 года присуждена трём физикам-теоретикам — Джону Кларку, Мишелю Х. Деворе и Джону М. Мартинису — за изучение квантовой механики в макроскопической электрической цепи.
С момента объявления о присуждении премии их родные учреждения в Беркли, Санта-Барбаре и Нью-Хейвене наполнились радостью и волнением.
Эта престижная награда отмечает новаторские исследования в области квантовой физики, совпавшие со 100-летием рождения квантовой механики — революционной научной теории, лежащей в основе современной физики.
Квантовая механика: от атомов до современных технологий
Квантовая механика была сформулирована для объяснения и предсказания поведения атомов, молекул и субатомных частиц. Она проложила путь для широкого спектра практических применений, включая:
* прецизионные измерения;
* лазерные технологии;
* медицинскую визуализацию;
* полупроводниковые электронные устройства и компьютерные чипы.
Однако многие аспекты квантового мира остаются загадочными для учёных и инженеров. С экспериментальной точки зрения, крошечные масштабы микроскопических частиц создают серьёзные проблемы для изучения тонких законов квантовой механики в лабораторных условиях.
Квантовая инженерия и обработка квантовой информации
С конца прошлого века исследователи по всему миру стремились точно изолировать, контролировать и измерять отдельные физические объекты, такие как одиночные фотоны и атомные ионы, которые демонстрируют квантовое поведение в очень специфических экспериментальных условиях. Эти усилия дали начало новой области — квантовой инженерии, которая стремится использовать особенности квантовой физики для прорывных технологических инноваций.
Одним из наиболее перспективных направлений является квантовая обработка информации, целью которой является проектирование и внедрение машин, способных кодировать, обрабатывать, передавать и обнаруживать информацию «странными» квантовыми способами. Например, объект может находиться в суперпозиции различных состояний одновременно.
Сверхпроводящие квантовые схемы
В 1985 году три нобелевских лауреата, работавшие тогда в одной исследовательской группе в Калифорнийском университете в Беркли, дали утвердительный ответ на вопрос о возможности реализации квантовых машин. Они изучали электрические цепи, сделанные из сверхпроводников.
Сверхпроводимость — это особое состояние вещества, известное проведением электрических токов без сопротивления из-за лежащих в его основе квантово-механических взаимодействий электронов при низких температурах.
Используя устройство, называемое джозефсоновским переходом, они обнаружили, что при достаточно низких температурах (ниже −273 градусов Цельсия) разность фаз переменного тока через джозефсоновский переход демонстрирует уникальное квантово-механическое явление, известное как квантовое туннелирование.
Искусственные атомы и квантовые компьютеры
Изобретение сверхпроводящих искусственных атомов открыло новые возможности для создания полезных квантовых машин с помощью передовых инженерных методов.
На основе этих открытий исследователи, включая лауреатов Нобелевской премии и их исследовательские группы, добились значительных успехов в создании прототипов квантовых компьютеров с использованием сверхпроводящих квантовых схем.
Элементарной единицей устройства, составляющей эти информационные процессоры, является сверхпроводящий квантовый бит, или «кубит» для краткости. Каждый сверхпроводящий кубит — это искусственный атом, содержащий один или несколько джозефсоновских переходов. Его квантовое состояние может быть точно подготовлено, манипулировано и измерено экспериментаторами.
Нобелевская премия по физике 2025 года признаёт оригинальные исследования на стыке фундаментальной и прикладной науки. Лауреаты премии проверили глубокие квантово-механические гипотезы с помощью чётких и строгих экспериментов.
От искусственных атомов появился дерзкий труд и быстрый прогресс в создании практических квантовых информационных машин. Сочетание чисто интеллектуальных запросов и инженерных достижений формирует эту междисциплинарную область с момента её создания.
Эта Нобелевская премия — дань уважения трём изобретателям сверхпроводящих квантовых схем, чьи пытливые умы, широкий кругозор и предприимчивый подход олицетворяют истинный научный дух и будут продолжать вдохновлять будущие поколения.
Материал предоставлен The Conversation.
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Читайте оригинальную статью.