Цивилизация
Кванты на ладони
Один из главных вопросов в физике — это максимальный размер системы, в которой могут проявляться квантово-механические эффекты. Дело в том, что кванты — одни из самых крошечных физических единиц энергии или излучения в квантовой механике. Лауреаты смогли провести эксперименты, в которых они продемонстрировали квантово-механическое туннелирование в системе, достаточно большой, чтобы ее можно было держать в руке.
«Они продемонстрировали, что кванто-механические явления имеют место для больших объектов. Обычно квантовая механика работает для микроскопических объектов. Кроме того, существуют еще коллективные квантовые явления: когда большая совокупность частиц вела себя, как целый квантовый объект. В эксперименте лауреатов было показано, что те эффекты, которые обычно относятся к частицам индивидуальным, могут проявляться на уровне макромира, большого количества частиц. Они смогли создать устройство – сверхпроводниковые электрические цепи, в которых много носителей заряда. Это структуры из металла, как правило, алюминия, которые видно в микроскоп. Это не один атом, и в этих структурах были видны квантовые эффекты», — рассказал «Газете.Ru» научный руководитель центра квантовых технологий Сбера Станислав Страупе.
Понимание того, что квантовые эффекты возможны в макромире, позволило в будущем создать новые устройства микроэлектроники, а также квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах.
«В мире уже существует несколько квантовых компьютеров, которые работают на сверхпроводящих кубитах. Это квантовые компьютеры IBM и Google. Можно сказать, что нобелиаты экспериментировали с прародителями современных сверхпроводящих кубитов. Некоторые из квантовых компьютеров на сверхпроводящих кубитах есть и в России. Такие работы ведутся в МИСИС, МГТУ им. Баумана, на Физтехе», — рассказал Страупе.
В МИСИС «Газете.Ru» сообщили, что на основе открытых нобелиатами эффектов создан уже 16-кубитный квантовый процессор.
«Можно сказать, что Мартинис, Деворе и Кларк продемонстрировали прародителя современных сверхпроводниковых кубитов. Лауреаты показали квантование энергетических уровней в цепи с джозефсоновским контактом при температуре близкой к абсолютному нулю. Именно этот эффект лежит в основе сверхпроводниковых квантовых процессоров, которые активно создаются в мире и в России. Недавно мы представили 16-кубитный квантовый процессор в рамках дорожной карты развития квантовых вычислений «Росатома». Более того, квантование энергии в цепях с джозефсоновскими контактами используется и при создании квантовых сенсоров, и для реализации квантовой связи. НИТУ МИСИС активно развивает все эти три направления, внося существенный вклад в эту перспективную отрасль,» — отметила директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС Наталия Малеева.
Как физики пришли к этому?
Квантовый мир незаметен, но он существует вокруг нас. До XX века о его существовании не было известно. Одно из первых фундаментальных открытий, которое заложило основу квантовой механике, было связано с именем Альберта Эйнштейна. Он открыл, что свет представляет собой порции энергии, которые называются фотонами. До этого доминировало представление о том, что свет – это электромагнитная волна. Дальше были работы Бора, Шредингера, незадолго до этого была гипотеза Планка, которые развили эту теорию и положили начало квантовой физике.
«Простейший квантовый объект – это атом. У атома есть в центре ядро, положительно заряженное, и вокруг него находится электрон. Они расположены в строго определенных уровнях энергии, которым в школьном курсе химии соответствуют электронные орбитали. Электроны располагаются на строго определенных уровнях энергии, ниже которых они не могут упасть. Это делает атомы стабильными: электроны не падают на ядро и не поглощаются им. Так как любое вещество состоит из атомов, получается, что существование нашего физического мира основано на квантовой механике», — объяснил «Газете.Ru» замдиректора Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ Степан Лисовский.
Квантовый мир — это ключевое открытие в физике. Одним из его последствий стало развитие физики твердого тела. Эта наука объясняет многие феномены, которые раньше были необъяснимы. Благодаря физике твердого тела появилась возможность создавать технологии на основе твердых тел.
«Пожалуй, самая часто применяемая технология, работающая на квантовых эффектах, — это электроника. С развитием физики твердого тела появилась возможность управлять электронными состояниями внутри твердых тел. Это привело к созданию кремниевых интегральных схем. Все это основывается на открытии и развитии квантовой механики. Большинство современных технологий, они опираются на квантовую механику», — отметил Лисовский.
Раньше квантомеханические эффекты практически не наблюдались в нашем макромире, потому что они в основном проявляются на микромасштабах, характерных для атома. Потом ученые обнаружили несколько ключевых макроскопических квантовых эффектов: сверхпроводимость и сверхтекучесть. Суть эффектов в том, что при определенных температурах, частицы объединялись в одну сущность и начинали вести себя согласованно. Из-за этого между ними исчезало трение.
Чтобы объяснить это, можно провести аналогию с дорожным движением. Когда каждый водитель принимает свое решение о передвижении, — машины едут разрозненно и от этого медленно. Если же заставить все автомобили двигаться синхронно, они начнут перемещаться как единое целое, и скорость увеличится. То же самое происходит в квантовом мире: электроны или атомы гелия в сверхпроводниках и сверхтекучих веществах начинают вести себя монолитно.
В 1984 и 1985 годах ученые провели серию экспериментов с электронной схемой, состоящей из сверхпроводников — компонентов, которые могут проводить ток без электрического сопротивления, — двигаясь, подобно машинам, как единое целое.
Лауреаты смогли продемонстрировать, что система ведет себя в соответствии с предсказаниями квантовой механики — она квантуется, то есть поглощает или излучает только определенное количество энергии.
Транзисторы в компьютерных микросхемах — один из примеров устоявшихся квантовых технологий, которые нас окружают. Присужденная в этом году Нобелевская премия по физике открыла возможности для разработки квантовых технологий следующего поколения, включая квантовую криптографию, квантовые датчики и квантовые компьютеры.
Главное — порядок
«Большое спасибо! Мягко говоря, это самый большой сюрприз в моей жизни!» — сказал Джон Кларк, когда после объявления лауреатов премии по физике Нобелевский комитет позвонил ему и объявил о присуждении премии.
Джон Кларк родился в 1942 году в Кембридже. Несмотря на то, что родители Кларка никак не было связаны с наукой, он еще в школе начал изучать естественные науки, а затем и продолжил, получив сначала степень бакалавра в Кембриджском университете, а потом магистра и доктора наук.
«Моя мать была старшей из восьми детей. Она не училась в колледже. Ее отец умер, когда ей было четырнадцать, поэтому ей пришлось пойти работать, чтобы содержать семью. В итоге она стала бухгалтером в местной компании. А мой отец был плотником. Он принимал активное участие в строительстве аэродромов в Восточной Англии во второй половине войны и после нее. Он также отвечал за ряд известных американских аэродромов. Это было очень интересно, потому что во время школьных каникул он иногда брал меня с собой за город, чтобы показать эти американские аэродромы. Я был первым человеком в моей семье, который поступил в колледж», — вспоминал Кларк в 2016 году во время интервью на конференции по прикладной сверхпроводимости.
Затем он занял должность на физическом факультете Беркли, где проработал на протяжении всей своей карьеры. Он прошел путь от ассистента профессора в 1969 году до главы кафедры экспериментальной физики имени Луиса В. Альвареса в 1999 год. В 2010 году он вышел на пенсию, став профессором высшей школы в Беркли и продолжая активно заниматься исследованиями.
«К концу второго года обучения в бакалавриате я был совершенно уверен, что хочу продолжать заниматься исследованиями. Выбор области во многом был обусловлен тем, насколько я восхищался одним из своих научных руководителей. Это был Питер Хирш», — дополнил Кларк в том же интервью.
На протяжении многих лет он активно сотрудничал с Кембриджским университетом и даже был избран членом братства Христа. Стиль Кларка всегда был сдержанным. Коллеги помнят его как человека скрупулезного, даже медитативного в отношении измерений. Его лаборатория славилась своим порядком: провода аккуратно свернуты, приборы снабжены этикетками, и в ней не было места шуму, ни в прямом, ни в переносном смысле.
Cвоим существованием я обязан Гитлеру
Мишель Деворе родился во Франции. Изначально интерес ученого был сосредоточен на квантовой физике. После защиты докторской диссертации Деворе начал работать над макроскопически квантовым туннелированием в лаборатории Джона Кларка в Калифорнийском университете в Беркли. С 2002 года Деворе — профессор Йельского университета.
С раннего детства мать и отец нобелевского лауреата способствовали зарождению у него интереса к науке.
«Моя мама была учительницей, а папа – биологом. Он получил медицинское образование и вскоре после окончания аспирантуры стал генетиком. В университете он посещал лишь несколько курсов физики, но был очень увлечен ею. Кроме того, поскольку он временно работал врачом по профессиональным рискам в физической лаборатории, у него было два хороших друга – профессиональных физика. Это создало у меня впечатление, что физики – люди, с которыми, как правило, приятно общаться, и это чувство остается у меня и по сей день», — рассказывал ученый в интервью 2021 года изданию AIP.
Однако он не сразу пришел к пониманию того, что предметной областью его исследований станет физика. Деворе отмечал, что биология ему «никогда не нравилась», а физика и люди, которые ею занимались, привлекали его.
Ученый не говорит о своих хобби, но отмечает, что особую радость ему приносит работа в лаборатории.
«Даже сейчас я продолжаю чувствовать себя очень счастливым в лаборатории, хотя, к сожалению, большую часть времени я работаю за компьютерным столом», – поделился он в том же интервью.
О личной жизни ученого известно мало, однако в интервью AIP он поделился одной интересной историей из жизни:
«Пьер Гольтман, выживший в Освенциме двоюродный брат моей матери, однажды удивил всех на семейном обеде, сказав, что своим существованием я обязан Адольфу Гитлеру. Конечно, это было провокационно, но в то же время в этом утверждении была глубокая правда. Для многих французов Вторая мировая война была настоящим испытанием. Но особенно тяжело это было для семей моих родителей из-за их еврейского происхождения, хотя они и не были совершенно религиозными <...> Положение моих родителей — граждан Франции — пожалуй, было не таким плохим, как если бы они были уроженцами Нидерландов — там вероятность выживания евреев во время войны составляла всего 5%, тогда как во Франции она была примерно 75%», – отметил Деворе.
Ученый из Google
Джон М. Мартинис — родившийся в 1958 году — самый молодой из троицы нобелевских лауреатов. Всю свою карьеру он был в авангарде разработки высокоточных кубитов, необходимых для масштабируемых квантовых процессоров. До основания собственной компании Qolab Мартинис был ключевой фигурой в эксперименте Google по квантовому превосходству. Он возглавлял команду, которая продемонстрировала квантовый компьютер, превосходящий по производительности лучшие классические суперкомпьютеры мира.
Мартиниса называют «инженером среди физиков» — неутомимым, практичным, и его чаще можно встретить за регулировкой кабелей, чем за обсуждением волновых функций. Но именно этот прагматизм и сделал возможными эксперименты в Беркли, однако он же привел к концу сотрудничества с Google.
«Раньше моей целью было создать полезный квантовый компьютер для Google. Теперь я просто хочу создать полезный квантовый компьютер для кого-нибудь», — рассказал Мартинис в 2020 году изданию The quantuminsider.