Нобелевская премия по физике-25: квантовое туннелирование на макроуровне

В «нобелевскую неделю» во вторник 7 октября 2025 года в Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии по физике. Награда этого года присвоена «за открытие макроскопического квантовомеханического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи». Лауреаты — Джон Кларке (John Clarke), Мишель Деворе (Michel H. Devoret) и Джон Мартинис (John M. Martinis) из Калифорнийского университета.

Квантовая механика в обыденном её представлении «работает» с объектами микроскопических размеров — на уровне отдельного электрона, в лучшем случае атома. Явления в квантовом мире представляются нам контринтуитивными. Чего стоит так называемый «дуализм волна-частица», про который рассказывают ещё школьникам старших классов. Понять, о чём здесь вообще речь, получается только при изучении университетского курса квантовой механики с опорой на весьма суровую высшую математику. Один из неочевидных квантовых эффектов — квантовое туннелирование: частица может преодолеть потенциальный барьер энергии и оказаться по другую сторону препятствия. На бытовом уровне — например, «пройти сквозь стену». Это свойство объектов микромира малопредставимо для макроскопических объектов типа мяча. Кстати, в университетских курсах квантовой механики студентам иногда дают задачу на расчёт вероятности такого события. Ответ обычно получается в виде среднего времени ожидания, которое на много порядков превышает время существования Вселенной.

В этом году Нобелевская премия отмечает эксперименты, которые показывают, как можно наблюдать квантовое туннелирование на макроскопическом масштабе, с участием множества частиц. Авторы в 1984-1985 году провели серию экспериментов в Калифорнийском университете в Беркли. Для этого они использовали электрическую цепь с двумя сверхпроводящими элементами, разделёнными тонким слоем диэлектрика. Такая система называется контактом, или переходом Джозефсона (Josephson junction). Протекание тока сверхпроводимости через контакт — эффект квантовой природы (эффект Джозефсона), в котором роль играет квантовое туннелирование электронов через потенциальный барьер. В экспериментах удалось добиться коллективного поведения всех заряженных частиц в цепи — электроны в сверхпроводниках вели себя синхронно, как если бы это была одна «частица», которая заполняет собой всю цепь.

Способность отдельных частиц проходить через потенциальный барьер, то есть квантовое туннелирование — совсем не экзотический эффект, знакомый любому студенту, изучающему квантовую механику и давно подтверждённый экспериментально. Распад радиоактивных ядер происходит благодаря этому механизму — нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, намного превосходящими электромагнитные, и для выхода отдельного нуклона или альфа-частицы (системы из двух протонов и двух нейтронов, то есть ядра гелия) наружу необходимо преодолеть потенциальный барьер. Вопрос в том, можно ли добиться туннелирования, в которое вовлечено множество частиц, а в идеале — туннелирования макроскопических объектов. Один из подходов заключается в использовании сверхпроводников при низких температурах.

Вкратце теория сверхпроводимости, которую ещё называют теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), состоит в том, что при очень низких температурах вблизи абсолютного нуля в определённых материалах электроны объединяются в пары с синхронизированным поведением. Такие синхронные двойки называются куперовскими парами. В материале они могут быть пространственно отделены друг от друга, но ведут себя согласованно (когерентно), и их рассматривают как одну квантовую частицу. «Связь» между ними осуществляется через сам материал, точнее, через колебания его кристаллической решётки. Если между двумя сверхпроводниками расположить тонкий непроводящий материал, то есть создать джозефсоновский переход, квантовая механика предсказывает, а эксперимент подтверждает множество интересных явлений, связанных с преодолением этого барьера куперовскими парами.

Сегодняшние лауреаты занимались экспериментами в такой системе. И в 1980-х годах, и сейчас такие исследования проводит множество научных групп с целью обнаружить MQT — «макроскопическое квантовое туннелирование». Установка, на которой проводили эксперименты в Беркли, включает два сверхпроводящих проводника и джозефсоновский контакт на чипе макроскопических размеров — около сантиметра. Это ещё не шредингеровская кошка, но и не система размером в атом, как в приличной квантовой механике. Через переход пропускается слабый ток и измеряется падение напряжения, которое связано с электрическим сопротивлением в цепи. Как и ожидается, сначала падение напряжения на контакте нулевое. Но затем исследуют, какое среднее время потребуется системе для туннелирования сквозь переход. Квантовая механика оперирует вероятностями, поэтому, проводя эксперимент множество раз, можно найти среднее время существования и «распада» такого состояния с нулевым напряжением. В этом отношении измерения напоминают определение периода полураспада радиоактивного элемента, или, как сказано во вводном абзаце, семинарскую задачу по квантмеху вида «за дверью стоит студент. За какое в среднем время он протуннелирует в аудиторию, не открывая дверь?»

Туннелирование продемонстрировало, как куперовские пары во всей длине сверхпроводника ведут себя синхронно как одна гигантская частица (квазичастица). В экспериментах получено дополнительное подтверждение эффекта — квантование энергетических уровней в сверхпроводнике. При облучении системы электромагнитным полем микроволнового диапазона некоторые из частот интенсивно поглощались, вызывая переходы на более высокие энергетические уровни. Такие переходы, как и предсказывает квантовая механика, происходят скачками при поглощении кванта энергии определённой величины. Возбуждённые состояния сверхпроводника, в свою очередь, легче туннелировали через джозефсоновский переход (наглядное объяснение этого эффекта на примере альфа-распада представлено на картинке из пресс-релиза).

Система с квантовым поведением на макроуровне фактически представляет собой искусственный атом, но имеющий размеры, достаточные для его наблюдения обычными средствами и экспериментов с подключением его в лабораторную установку. Такие атомы можно использовать, например, для моделирования «настоящих» квантовых систем наноразмеров. Другое использование — квантовые компьютеры, то есть физическая реализация квантового бита информации — кубита, чем занимается один из лауреатов (Дж.Мартинис). Электрическую цепь с квантованными состоянии можно использовать в этом качества — например, низшее её энергетическое состояние может представлять «0», а первое возбуждённое — «1». Цепи на основе сверхпроводников — одна из технологий, которую исследуют в попытках наконец построить будущий реально работающий квантовый компьютер. Напомним, что обычный транзистор — пример работающей много лет квантовой технологии. Возможно, квантованные сверхпроводящие цепи станут следующим поколением устройств, в которых квантовая механика работает в обычном мире.