Исследования, удостоенные Нобелевской премии по физике в 2025 году, могут стать фундаментом для создания квантовых технологий нового поколения. Среди них — многокубитные квантовые компьютеры, высокочувствительное медицинское оборудование и сверхточные измерительные приборы для исследования темной материи и гравитационных волн. В материале «Известий» подробно рассказывается, за какие достижения была присуждена премия и как ученые и инженеры по всему миру смогут использовать эти результаты на практике.

7 октября были названы лауреаты Нобелевской премии по физике — Джон Кларк из Великобритании, Майкл Деворе из Франции и Джон Мартинис из США. Как отметили на сайте Нобелевского комитета, награда досталась за открытие эффектов «макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи».

— Вопрос о максимальных размерах систем, в которых возможны квантово-механические явления, остается одним из ключевых в физике. В своих экспериментах с электрическими цепями нынешние лауреаты продемонстрировали квантово-механическое туннелирование и квантование энергетических уровней в достаточно большой системе, которую можно держать рукой, — пояснили в официальном заявлении комитета.

Ранее квантовые эффекты, такие как туннелирование — преодоление энергетического барьера без необходимой энергии — и квантование — дискретность энергетических состояний — наблюдались лишь в микромире, например у атомов, электронов и фотонов, рассказал директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.

— Прорыв ученых Кларка, Деворе и Мартиниса заключался в том, что они впервые экспериментально показали: такие необычные квантовые явления могут проявляться и в макроскопических объектах, состоящих из миллиардов атомов, — отметил специалист.

Ключевым объектом их исследований стал джозефсоновский контакт, где два сверхпроводника разделены тонким изолирующим слоем. Ученые продемонстрировали, что электрический ток в этом контакте способен «протуннелировать» через барьер, несмотря на запрет классической физикой. Они наблюдали этот эффект в системе, размеры которой в миллиарды раз превышают размеры элементарных частиц.

— Кроме того, было показано, что такие макроскопические системы обладают дискретными энергетическими уровнями — типичным свойством квантовых объектов, например электронов в атомах. Эти уровни сейчас широко используют в сверхпроводящих кубитах, являющихся базой квантовых компьютеров в России и за рубежом, — отметил главный научный сотрудник физфака Университета ИТМО Иван Иорш.

Работы лауреатов открыли перспективы для создания квантовых технологий нового поколения, включая криптографию, вычислительные устройства и сенсоры, подчеркнул он.

— Туннелирование — фундаментальный эффект квантовой механики. В классической физике частица не может пройти через зону с энергией выше ее собственной, однако благодаря волновой природе квантовые частицы способны «туннелировать» через такие барьеры, — рассказал «Известиям» ведущий научный сотрудник Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, член-корреспондент РАН Александр Иванчик. — Этот эффект был теоретически описан в конце 1920-х годов различными научными группами.

Со временем туннелирование стало ключевым для понимания многих явлений в физике и химии: оно важно в ядерных реакциях, полупроводниковой технике, отметил ученый. Сейчас на этом эффекте основана работа многих микроэлектронных устройств — диодов, транзисторов, элементов памяти и датчиков.

Особое фундаментальное значение открытия, отмеченного Нобелевской премией, состоит в том, что квантовые эффекты могут проявляться на макроскопическом уровне, подчеркнул эксперт.

В будущем такие исследования помогут развить технологии квантовой телепортации — мгновенной передачи квантового состояния между большими объектами, а не только отдельными частицами, заявил специалист. То есть квантовые явления будут переноситься между системами из миллиардов атомов.

— Премию дали за изучение эффектов в электрических цепях при очень низких температурах, когда квантовая физика начинает играть ключевую роль, в том числе проявляется сверхпроводимость — прохождение тока без сопротивления, — указал руководитель научной группы Российского квантового центра, директор Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС, заместитель председателя научного комитета Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» Алексей Федоров.

Он подчеркнул, что исследования открывают много фундаментальных направлений. На базе сверхпроводниковых цепочек создают сверхчувствительные сенсоры электромагнитных полей. Такие системы также являются ведущей платформой для квантовых вычислений.

— Современная задача конструкторов — добиться, чтобы макроскопические электронные системы вели себя как реальные твердые кристаллы, — пояснил профессор Института лазерных и плазменных технологий Владимир Решетов.

Преимущество макроскопических квантовых систем в том, что ими можно воздействовать на масштабном уровне, отметил он. Это позволяет создавать измерительные приборы для регистрации квантовых явлений. Полученные результаты стимулируют поиск новых физических эффектов, способных расширить возможности квантовых технологий.

В частности, они стали основой для создания высокоточных датчиков магнитного поля, которые применяются в медицине для безопасного исследования работы мозга, в геологии — для поиска полезных ископаемых, а также в фундаментальной науке для изучения темной материи и измерения гравитационных волн.

— Основные идеи и разработки сверхпроводниковых кубитов, многокубитных квантовых сопроцессоров и разработки квантовых алгоритмов были впервые показаны в группе Мартиниса. Кроме того, пионерские работы Мишеля Деворе в области квантовой памяти, нелинейных явлений и криогенных усилителей для считывания квантовых процессоров проложили путь к практическим квантовым вычислениям, — подчеркнул директор исследовательского центра МГТУ имени Н.Э. Баумана и ФГУП ВНИИА Илья Родионов.

По его словам, нынешняя премия имеет большое значение, поскольку самые эффективные и массовые квантовые компьютеры мира созданы на основе сверхпроводниковой технологии.