В этом году Нобелевскую премию по физике получили Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис за «прохождение сквозь стены», помните: как в Гарри Поттере на платформе 9 3/4?
Все дело в туннельном эффекте — возможности частицы проходить через энергетический барьер. Мы привыкли, что в классической («макро») системе мяч не сможет подняться в горку и перейти ее, если у него не хватает на это энергии, но в квантовом («микро») мире все иначе. В нем: мяч является одновременно и волной и частицей, а у волны всегда есть вероятность пройти через такой энергетический барьер. Все потому, что она не обязана резко обрываться на границе барьера. Волна может экспоненциально затухать, но проникать внутрь барьера, и если он не бесконечно «толстый», то «волновой хвостик» частицы будет существовать и с другой стороны барьера. А где есть ненулевая волновая функция, там есть и вероятность обнаружить саму частицу. Важно отметить, что в качестве энергетического барьера может выступать электрическое поле, ядерные силы и пр.
Ученые показали, что это работает не только для отдельных частиц, но и для целых мезоскопических систем (нечто среднее между макро‑ и микро миром). Эксперимент показал, что все электроны в сверхпроводящем контуре объединились в куперовские пары и стали вести себя как одна гигантская супер‑частица. Ее и заставили туннелировать в системе сверхпроводник‑диэлектрик‑сверхпроводник.
Второй подвиг ученых заключается в наблюдении дискретных уровней энергии в такой системе. Это как в атоме: электрон может устроиться вблизи ядра не любым образом (существуют определенные энергетические уровни)…. оказалось то же самое происходит и на больших масштабах. Ученые не просто увидели это — они научились этим управлять.
Лауреаты премии создали аналог такого атома в виде сверхпроводящего контура с Джозефсоновским контактом. В этом контуре все куперовские пары электронов вели себя как один гигантский «искусственный атом». Его коллективное квантовое состояние описывалось одной волновой функцией. У этого «атома» существовали строго определённые энергетические уровни. В самом нижнем состоянии («основном») ток в контуре тек без напряжения.
Для управления состоянием такого «атома» учёные облучали контур микроволнами. В итоге система поглощала микроволны только определённой частоты. Эта частота точно соответствовала разнице между её двумя дискретными энергетическими уровнями и как результат — перескок с основного уровня на более высокий (подобно электрону в атоме). Это и есть прямое доказательство дискретности — система вела себя не как классический объект (который бы просто нагревался), а как квантовый, принимая энергию только строго определёнными «порциями». Когда система находилась в возбужденном состоянии, вероятность туннелирования через энергетический барьер возрастала.
Раньше думали, что квантовая магия «стирается», когда система становится большой. Оказалось — нет! Если правильно организовать частицы (в сверхпроводящих контурах), они сохраняют свою «волшебную» природу.
Теперь станет возможным создание нового вида «квантового транзистора», который переключает не ток, а состояния системы. Это прямой путь к существованию стабильных кубитов, которые могут находиться одновременно в двух состояниях (как кот Шрёдингера), что даст квантовым компьютерам огромные вычислительные мощности.
Ученые не объединили квантовую и классическую физику (увы, Единой Теории Всего ещё нет). Но они стёрли жирную красную линию между ними, показав: дело не в размере, а в изоляции от шума. Если убрать «внешний шум» (декогеренцию), даже большие объекты можно заставить жить по квантовым законам.
Больше интересного читай в моем Telegram канале.
Источник: habr.com
