Нобелівська премія з фізики 2025: Квантове тунелювання в макросвіті

Шведська королівська академія наук присудила Нобелівську премію з фізики 2025 року трьом науковцям:

• Джон Кларк (John Clarke, Велика Британія/США)

• Мішель Деворе (Michel H. Devoret, Франція/США)

• Джон М. Мартініс (John M. Martinis, США)

Формулювання нагородження

Премія присуджена «за відкриття макроскопічного квантово-механічного тунелювання та квантування енергії в електричному колі».

Суть відкриття

Відкриття лауреатів пов'язане з експериментальним доведенням того, що квантові ефекти, які традиційно спостерігаються лише на рівні окремих атомів і субатомних частинок, можуть бути помітні й контрольовані в макроскопічних об'єктах (тобто об'єктах, достатньо великих для спостереження).

Макроскопічне квантове тунелювання

Квантове тунелювання — це явище, при якому частинка може «пройти» крізь енергетичний бар'єр, навіть якщо вона не має достатньо класичної енергії для його подолання.

Лауреати показали, що це явище може відбуватися не лише з окремим електроном, а й із колективним станом мільярдів електронів у надпровідній системі.

• Експериментальна установка: Вчені використовували з'єднання Джозефсона (Josephson junction) — два надпровідники, розділені дуже тонким шаром ізолятора.

• Результат: Їм вдалося точно виміряти та контролювати потік струму через це з'єднання, демонструючи, що струм «тунелює» крізь ізолятор, а сама система поводиться згідно з законами квантової механіки, а не класичної фізики. Це стало прямим доказом того, що макроскопічний фізичний параметр (потік магнітного поля або електричний заряд) може існувати в квантовій суперпозиції.

Квантування енергії

Додатково вчені довели, що енергія в цих надпровідних колах є квантованою, тобто вона може приймати лише дискретні (певне, неперервні) значення, подібно до енергетичних рівнів електронів в атомі.

Історичний контекст: Нобелівська спадщина

Відкриття Кларка, Деворе та Мартініса продовжує низку нобелівських проривів, які сформували сучасний світ.

Фундаментальні прориви XX століття

• 1921 рік: Альберт Ейнштейн — за відкриття закону фотоелектричного ефекту.

  • Що відкрили: Довів квантову природу світла (фотони), пояснивши, як світло вибиває електрони з матеріалів.

  • Вплив на світ: Це фундаментальне відкриття лежить в основі всіх технологій, що перетворюють світло на електрику, зокрема сонячних батарей, датчиків цифрових камер і світлочутливих елементів.

• 1956 рік: Джон Бардін, Волтер Браттейн та Вільям Шоклі — за дослідження напівпровідників та винахід транзистора.

  • Що відкрили: Транзистор, крихітний електронний перемикач, який замінив громіздкі вакуумні лампи.

  • Вплив на світ: Транзистор є базовим елементом кожного сучасного електронного пристрою: від смартфонів і комп'ютерів до медичного обладнання. Це найбільший технологічний рушій сучасної епохи інформації.

• 1964 рік: Чарльз Таунс, Микола Басов та Олександр Прохоров — за фундаментальну роботу в галузі квантової електроніки, що призвела до створення лазера.

  • Що відкрили: Принцип підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання (LASER).

  • Вплив на світ: Лазери використовуються повсюдно: у волоконно-оптичних комунікаціях (Інтернет), медицині (хірургія), промисловості (різання металів) та побутовій техніці (сканери штрих-кодів).

Ключові премії XXI століття (2000–2024)

Відкриття останніх десятиліть зосереджені на квантовій інформатиці, кліматичному моделюванні та найтонших структурах матерії:

• 2024 рік: Джон Дж. Гопфілд та Джеффрі Гінтон — за відкриття та винаходи, що уможливили машинне навчання зі штучними нейронними мережами.

  • Що відкрили: Застосували принципи статистичної фізики для створення математичних моделей, що лежать в основі Штучного Інтелекту (ШІ).

  • Вплив на світ: Це наукове підґрунтя сучасної революції ШІ, включно з великими мовними моделями, комп'ютерним зором та автоматизацією. Показало, що фізичні принципи можуть лежати в основі інформаційних технологій.

• 2023 рік: П'єр Агостіні, Ференц Краус та Анн Л'Юльє — за експериментальні методи генерації аттосекундних імпульсів світла для вивчення динаміки електронів у матерії.

  • Що відкрили: Створили найкоротші світлові імпульси, які дозволяють "знімати" рух електронів всередині атомів. Аттосекунда — мільярдна частина мільярдної частки секунди.

  • Вплив на світ: Це відкрило абсолютно нову галузь фізики, що дозволяє досліджувати та контролювати хімічні реакції на фундаментальному рівні, прискорюючи розробку електроніки та каталізаторів.

• 2022 рік: Ален Аспект, Джон Клаузер та Антон Цайлінґер — за експерименти із заплутаними фотонами, що підтвердили порушення нерівностей Белла та заклали основи квантової інформатики.

  • Що відкрили: Довели експериментально феномен квантової заплутаності (коли дві частинки пов'язані незалежно від відстані), підтвердивши найдивовижніші передбачення квантової механіки.

  • Вплив на світ: Це прямий шлях до квантового Інтернету, абсолютно захищеної криптографії та нових методів квантових обчислень.

• 2019 рік: Джеймс Піблз, Мішель Майор та Дідьє Келоз — за теоретичні відкриття у фізичній космології та відкриття екзопланети на орбіті сонцеподібної зорі.

  • Що відкрили: Піблз розробив теоретичні рамки для нашого розуміння еволюції Всесвіту; Майор і Келоз здійснили перше підтверджене відкриття планети за межами Сонячної системи.

  • Вплив на світ і розширення картини світу: Це відкриття кардинально розширило наше уявлення про місце людини у Всесвіті. Робота Піблза надала нам точну космологічну модель, яка описує Всесвіт, що складається переважно з невидимої темної матерії та темної енергії, пояснюючи його еволюцію від Великого Вибуху. Водночас відкриття екзопланет Майором і Келозом довело, що більшість зірок мають власні планетні системи. Наша Галактика перетворилася з рідкісного місця з однією зіркою і дев'ятьма планетами на простір, де планети є нормою, що багатократно збільшує шанси на існування життя за межами Землі.

• 2000 рік: Жорес Алфьоров, Герберт Кремер та Джек Кілбі — за розробку напівпровідникових гетероструктур для високошвидкісної та оптоелектроніки, а також за внесок у винахід інтегральної схеми.

  • Що відкрили: Гетероструктури дозволили створювати напівпровідникові лазери та транзистори з неймовірною швидкістю. Кілбі створив перший мікрочип.

  • Вплив на світ: Це забезпечило технологічну основу для всього: від оптоволоконного Інтернету та мобільних телефонів до світлодіодів та масового виробництва мікропроцесорів, якими ми користуємося щодня.

Новаторське значення

Це відкриття 2025 року має величезне значення для розвитку квантових технологій. Робота лауреатів стала основою для:

1. Квантових комп'ютерів: Надпровідні квантові схеми (з використанням з'єднань Джозефсона) є одним з найперспективніших підходів до створення кубітів — базових елементів квантових обчислень.

2. Надчутливих датчиків: Розробка надпровідних квантових інтерференційних пристроїв (SQUID), на розвиток яких значний внесок зробив Джон Кларк, дозволяє створювати найчутливіші датчики магнітного поля у світі.

3. Квантової криптографії: Дослідження відкриває нові можливості для створення більш безпечних методів передачі інформації.

По суті, вони перенесли квантову механіку з абстрактного мікросвіту в практичні електронні пристрої, відкривши двері для наступної технологічної революції.