Нобелевская премия — 2025 по физике присуждена за изучение квантовых эффектов в макромире

Квантовые эффекты — не только для микромира

Главный вопрос, на который попытались ответить физики: насколько крупной может быть система, в которой всё ещё сохраняются квантовые свойства? Обычно квантовая механика описывает поведение атомов и элементарных частиц, тогда как для макроскопических объектов её эффекты исчезают. Однако лауреаты показали, что квантовые явления можно зафиксировать и в системе, состоящей из огромного числа частиц — достаточно создать для этого подходящие условия.

Учёным удалось доказать это ещё в 1980-х годах, когда они построили электрическую схему из сверхпроводников — материалов, проводящих ток без сопротивления. Компоненты схемы были разделены тонким изолирующим слоем, образуя так называемый джозефсоновский переход. Именно он позволил наблюдать, как квантовые эффекты проявляются в макроскопической системе, где взаимодействует множество электронов.

Эксперимент, изменивший представление о квантовой физике

В своих экспериментах учёные создали электрическую схему, в которой множество электронов вели себя как единый макроскопический объект — как одна «частица», заполняющая всю цепь. Когда по схеме проходил ток, система оставалась в стабильном состоянии без напряжения, ограниченная энергетическим барьером.

В определённый момент происходило квантовое туннелирование — эффект, при котором система проходила сквозь этот барьер, хотя классически не обладала достаточной энергией для такого перехода. Появление напряжения на схеме фиксировало этот переход и стало наглядным подтверждением действия квантовых законов на макроскопическом уровне.

Квантование энергии — и новая точка отсчёта

Учёные также продемонстрировали, что их система подчиняется принципу квантования энергии — то есть может поглощать и испускать энергию только дискретными порциями. Это свойство давно известно в микромире, но до экспериментов Кларка, Деворе и Мартиниса его не удавалось зафиксировать в системе, состоящей из миллиардов частиц.

Тем самым физики показали: квантовые свойства не исчезают при увеличении масштаба системы — их можно сделать наблюдаемыми, если создать точные условия контроля. Благодаря этому стало ясно, что переход от микромира к макроуровню не стирает фундаментальные принципы квантовой механики.

Фундамент для квантового будущего

Михаил Маслов, заведующий кафедрой физики твёрдого тела и наносистем НИЯУ МИФИ, подчеркнул, что открытие имеет фундаментальное значение для прогресса в области квантовых технологий — включая квантовые вычисления, сенсоры и системы квантовой криптографии. По словам учёного, результаты 1980-х годов фактически предвосхитили развитие современной квантовой электроники.

Евгений Стёпин, директор Центра космических исследований и технологий НИЯУ МИФИ, также отмечает, что работы лауреатов заложили основу для целого класса прикладных решений.

Таким образом, эксперименты Кларка, Деворе и Мартиниса стали ещё одним примером, когда фундаментальная физика напрямую повлияла на развитие технологического прогресса.

Контекст

Председатель Нобелевского комитета по физике Олле Эрикссон назвал открытие «новым подтверждением того, что даже столетняя теория квантовой механики продолжает приносить удивительные результаты и практическую пользу». Он отметил, что именно на этих принципах построены современные транзисторы и микрочипы — основа цифрового мира.

Их эксперименты показали, что квантовые эффекты можно не только теоретически описывать, но и воспроизводить в инженерных конструкциях — а значит, использовать для создания устройств с принципиально новыми свойствами.