Нобелівську премію з фізики присуджено за роботу над квантовими обчисленнями

Нобелівську премію з фізики було присуджено Джону Кларку (John Clarke), Мішелю А. Деворе (Michel H. Devoret) та Джону М. Мартінісу (John M. Martinis) за їхню роботу над квантовою механікою, яка прокладає шлях до нового покоління дуже потужних комп'ютерів.

«Сьогодні не існує жодної передової технології, яка б не спиралася на квантову механіку, включаючи мобільні телефони, камери... та оптоволоконні кабелі», – заявив Нобелівський комітет.
Про це заявила Королівська шведська академія наук на прес-конференції в Стокгольмі, Швеція.

«М'яко кажучи, це був сюрприз мого життя», – сказав професор Джон Кларк, який народився в Кембриджі, Велика Британія, а зараз працює в Каліфорнійському університеті в Берклі.

Мішель А. Деворе народився в Парижі, Франція, і є професором Єльського університету, а Джон М. Мартініс – професором Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі.

Троє переможців розділять призовий фонд у розмірі 11 мільйонів шведських крон (872 000 фунтів стерлінгів).

Нобелівський комітет визнав проривну роботу, виконану трьома вченими в серії експериментів з електричними схемами у 1980-х роках.

За словами комітету, це було «відкриття макроскопічного квантово-механічного тунелювання та квантування енергії в електричній схемі».
Навіть для галузі, яку часто вважають щільною, це відкриття звучить приголомшливо.

Джон Кларк, Мішель Деворе та Джон Мартінес досліджували, як квантові ефекти виявляються в макроскопічних системах, наприклад, в електричних ланцюгах — не в окремих атомах, а в пристроях, видимих неозброєним оком.

Вони експериментально довели, що у надпровідних схемах електрони можуть тунелювати через енергетичний бар'єр (так само, як частинки в мікросвіті), а енергія цих систем квантується — тобто набуває лише певних значень, як у атомів.

Їхні відкриття поклали основу для квантової електроніки, включаючи: кубитні схеми – основу сучасних квантових комп'ютерів та надчутливі датчики та магнітометри (наприклад, SQUID-пристрої), що використовуються в медицині, геофізиці та астрофізиці.

До їхньої роботи вважалося, що квантові ефекти видно лише в мікросвіті. Ці вчені показали, що квантова фізика працює і на рівні електричних схем, якщо створити відповідні умови, наприклад, охолодження до дуже низьких температур та використання надпровідників.

«Це те, що призводить до розвитку квантового комп'ютера. Багато людей працюють над квантовими обчисленнями, наше відкриття багато в чому є основою цього», — сказав проф. Кларк по телефону на прес-конференції через кілька хвилин після того, як йому повідомили про перемогу.

«Я повністю приголомшений. У той час ми жодним чином не усвідомлювали, що це може бути основою для Нобелівської премії», — сказав він.

Квантова механіка пов'язана з поведінкою мікрочастинок у мікросвіті. Це стосується того, як поводять себе частинки, такі як електрон, у субатомному світі.

Професор Кларк та його команда досліджували, як ці частинки, здається, порушують правила, такі як проходження крізь енергетичні бар'єри, які традиційна фізика вважала неможливими – те, що називається «тунелюванням». Використовуючи квантове «тунелювання», електрону вдається пробитися крізь енергетичний бар'єр.

Тунелювання - це квантово-механічний процес, який спричиняє, що ймовірність грає певну роль. Деякі типи атомних ядер мають високий, широкий бар'єр, тому може знадобитися багато часу, щоб частина ядра з'явилася поза його межами, тоді як інші типи розпадаються легше. Якщо ми дивимося лише на один атом, ми не можемо передбачити, коли це станеться, але, спостерігаючи за розпадом великої кількості ядер того ж типу, ми можемо виміряти очікуваний час до того, як відбудеться тунелювання. Найбільш поширеним способом опису є концепція періоду напіврозпаду, який полягає в тому, скільки часу потрібно половині ядер у зразку для розпаду.

Здатність окремих частинок до тунелювання добре відома. У 1928 році фізик Георгій Гамов зрозумів, що тунелювання є причиною того, що деякі важкі атомні ядра мають тенденцію розпадатися певним чином. Взаємодія між силами в ядрі створює навколо нього бар'єр, утримуючись у частинках, що в ній містяться. Однак, незважаючи на це, невелика частина атомного ядра іноді може відколюватися, виходити за межі бар'єру та виходити, залишаючи після себе ядро, яке було перетворено на інший елемент. Без тунелювання такого роду ядерного розпаду не могло статися.

Щоб виміряти квантові явища, вчені подали слабкий струм у з'єднання Джозефсона і виміряли напругу, яка пов'язана з електричним опором ланцюга. Напруга спочатку була нульовою, як і очікувалося. Це пов'язано з тим, що хвильова функція для системи полягає в стані, який не дозволяє виникати напрузі. Потім вони вивчили, скільки часу потрібно системі, щоб вийти з цього стану, приклавши напругу. Оскільки квантова механіка спричиняє елемент випадковості, вони провели численні виміри і нанесли свої результати у вигляді графіків, з яких могли зчитувати тривалість стану нульової напруги. Це схоже на те, як виміри напіврозпаду атомних ядер ґрунтуються на статистиці численних випадків розпаду.

До їхньої роботи вважалося, що квантові ефекти видно лише в мікросвіті. Робота Нобелівських лауреатів продемонструвала, що тунелювання може бути відтворене не лише в квантовому світі, але й в електричних ланцюгах у «реальному світі». Дослідники одержали додаткове підтвердження цього, коли побачили, що система має квантовані рівні енергії.Ці знання були використані вченими для створення сучасних квантових чіпів.

Нобелівську премію з фізики присуджено за роботу над квантовими обчисленнями