Нобелевская премия по физике-2025: комментируют ученые МИФИ

7 ноября состоялось объявление лауреатов Нобелевской премии по физике 2025 года. Ими стали американские учёные Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис. Премия вручена им за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи. Во многих российских СМИ появились комментарии сотрудников МИФИ, разъясняющие суть достижений нынешних нобелевских лауреатов. Поскольку мнения наших ученых были опубликованы в прессе лишь частично, ниже мы приводим полный текст их комментариев.

Газета «Известия» воспользовалась комментарием профессора Института лазерных и плазменных технологий Владимира Решетова. Эксперт отметил, что в этом году Нобелевская премия выдана за довольно старое открытие, которое изучали студенты еще в Советском Союзе – за исследование джейсоновского туннельного контакта – исследовании электрического тока, который течет в замкнутом сверхпроводящем проводнике, где есть изолирующая прокладка. Дело в том, что именно такие структуры сегодня используются в наиболее перспективном типе квантовых компьютеров. Нынешние нобелевские лауреаты продемонстрировали, что квантовые явления могут быть вполне макроскопическими, потому что ток в этих «колечках» квантуется, и зависит от напряжения, от магнитных полей и многих других факторов. Задача конструкторов квантовых компьютеров сегодня заключается в том, чтобы электронная система, состоящая из такого рода маленьких колечек с радиаторами, начала вести себя как некий реальный кристалл твёрдого тела. Таким образом, Нобелевская премия выдана за исследования, которые легли в основу создания наиболее перспективного направления квантовых компьютеров. «Кроме того, такого рода маленькие «колечки», часто используются для измерения магнитных полей, в том числе для снятия томограммы, - отметил Владимир Решетов.- То есть эти структура позволяет создавать сенсоры, измеряющие те поля, которые существуют у нас в коре головного мозга. Вообще, когда мы создаем макроскопическую квантовую систему, то главное ее достоинство заключается в том, что мы можем макроскопически на нее воздействовать и делать разного рода измерительные системы, которые измеряют квантовые явления. Сегодня такие измерения часто проводят на отдельных атомах, на отдельных ионах. Главный недостаток этих систем — их нужно охлаждать. Они работают при сверхнизких температурах, когда материалы, из которых они состоят, становятся сверхпроводниками».

Профессор кафедры физики конденсированных сред ИНТЭЛ Константин Катин дал разъяснения газете «Коммерсант»; как отметил эксперт, квантовая механика лежит в основе современной электроники, химии, ядерной физики и многих других наук, имеющих дело с микрообъектами. Выводы этой теории иногда казались парадоксальными даже её создателям, но неизменно подтверждались экспериментом. Один из таких выводов - возможность квантового туннелирования: частица может попасть из одной точки в другую, даже если они разделены энергетическим барьером, непреодолимым с точки зрения классической физики. «В наше время туннелирование электронов могут наблюдать даже студенты на лабораторных работах. Лауреаты этого года пошли намного дальше: в 80-е годы они наблюдали туннельный ток через слой диэлектрика, разделяющего два сверхпроводника. Это тот редкий случай, когда туннелирирование наблюдается не для микроскопической частицы, а для вполне осязаемой системы - совокупности электронов в сверхпроводнике», - подчеркивает Константин Катин.

В газете «Ведомости» опубликовано мнение доцента НОЦ НЕВОД Егора Задебы. Он отмечает, что у квантовых процессов есть ряд ключевых закономерностей, например, возможность частиц преодолевать барьеры с определенной вероятностью: как если бы человек один раз из тысячи мог пройти через стену или перепрыгнуть через высокий дом. Другой ключевой особенностью квантовых процессов является порционность энергии, которую может поглотить или испустить система. В нашем мире это можно было бы представить лежачим полицейским, который останавливает машину, двигающуюся только с определенной кинетической энергией. Это проявляется, например, в том, что светодиоды испускают свет в очень узком диапазоне частот. Лауреатам удалось 40 лет назад с помощью двух сверхпроводников и тонкого диэлектрика между ними создать систему, в которой наблюдается эффект туннелирования. Носители заряда преодолевали слой диэлектрика так, будто это одна частица из микромира, а энергию система поглощала и испускала строго фиксированными порциями, как это делает атом, испуская и поглощая фотоны при возбуждении.

«В современной науке и технике макроскопические квантовые эффекты уже нашли широкое применение, но самые интересные разработки на основе квантовых эффектов нам еще предстоит увидеть в ближайшие десятилетия. Это не только знаменитые квантовые компьютеры, ячейки информации в которых (кубиты) могут быть исполнены на основе контактов Джозефсона – сверхпроводящих петель. Но и сверхчувствительные магнитометры (SQUID), способные измерить даже самые малые изменения магнитного поля. Отмечу, что одним из неожиданных применений таких приборов оказалось изучение работы мозга, эти приборы могут позволить заглянуть в его работу, значительно превосходя возможности обычных контактных методов электроэнцефалографии по изучению процессов в самом сложном органе организма человека», - отмечает Егор Задеба.

В Информационном агентстве «Интерфакс» и на портале «СНГ Сегодня» вышли реплики директора Центра космических исследований и технологий НИЯУ МИФИ Евгения Стёпина и заведующего кафедрой физики твердого тела и наносистем Михаила Маслова (обратим внимание, что комментарий Михаила Маслова первоначально вышел в телеграм-канале «Кипящий МИФИ»).

Евгений Стёпин подчеркнул, что исследования нобелевских лауреатов, проведенные несколько десятилетий назад, заложили фундамент современных квантовых технологий: таких, как квантовые вычисления, криптография, системы связи и сверхточные измерения, востребованные в космической отрасли для решения задач навигации и разведки, наведения и стабилизации космических аппаратов, создания абсолютно защищенных каналов связи между спутниками и Землёй, проведения фундаментальных научных исследований и проверки теорий фундаментальной физики.

Михаил Маслов сообщил, что нобелевские лауреаты выполнили серию экспериментов с электронной схемой на основе сверхпроводников, между которыми находился тонкий изолирующий слой. В ходе экспериментов с такой электрической цепью им удалось наблюдать эффекты квантового туннелирования и существование дискретных энергетических состояний в макроскопическом устройстве, умещающемся в ладони. Фактически открытие позволило перенести квантовые явления на уровень микросхемы, выведя их за пределы субатомного масштаба. Естественно, это открытие имеет фундаментальное значение для прогресса в области квантовых технологий, охватывающих квантовые вычисления, квантовые сенсоры и системы квантовой криптографии.

Многочисленные публикации в прессе с экспертными комментариями ученых нашего университета несомненно свидетельствуют о росте авторитета НИЯУ МИФИ в публичном поле; не только в научных кругах, но и среди широкой публики университет становится все более известен, как центр экспертизы высшего уровня.