Туннель в будущее: почему Нобелевская премия 2025 по физике — это больше, чем просто наука

Квантовая механика описывает мир микрочастиц — электронов, атомов, фотонов — не детерминированно, а вероятностно. Частица не "находится" в точке, а имеет ненулевую вероятность обнаружиться в разных местах. Из этой вероятностной природы вырастают эффекты, которые противоречат нашему повседневному опыту: суперпозиция, запутанность и туннелирование - переход через энергетический барьер, который классический объект преодолеть не может.

Фото: https://commons.wikimedia.org by Science and Technology Facilities Council, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/ ученые

Меткая метафора: если бросить теннисный мяч в стену, он отскочит. Но для электрона "стена" иногда полупрозрачна — он с небольшой, но ненулевой вероятностью окажется по другую сторону.

И долгое время считалось, что это — удел микромира. Нобелевская-2025 показывает: квантовые эффекты можно наблюдать и "на чипе", в системе, которую держишь в руке. 

За что дали Нобель-2025

Лауреаты — Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон М. Мартинис - в 1980-е поставили серию экспериментов с сверхпроводящими цепями на основе джозефсоновских переходов, где квантовая "частица" — это уже коллективная степень свободы электрической цепи. Они показали две ключевые вещи:

Макроскопическое квантовое туннелирование (MQT): система перескакивает между энергетическими минимумами не "перелезая" через барьер, а проходя сквозь него;

Квантование энергии в электрической цепи: поглощение/излучение строго "порциями" — как и предсказывает квантовая теория.

Именно эти работы легли в фундамент современных квантовых технологий — от сверхчувствительных сенсоров до архитектур квантовых вычислений (включая "искусственные атомы"-трансмоны). 

Почему это важно не только физикам

Инженерный переворот. Когда квантовый объект — не электрон в потенциальной яме, а электрический контур на сверхпроводящем кристалле, к нему применим привычный арсенал микроэлектроники: литография, интеграция, масштабирование. Квантовые эффекты выходят из лаборатории в производство. 

Технологический мультипликатор.— Квантовые датчики и СКВИД-магнитометры позволяют измерять сверхслабые поля — от нейрокортекса до геологии.— Квантовые коммуникации и квантовая криптография опираются на контролируемые сверхпроводящие схемы.— Квантовые процессоры на трансмонах — прямые наследники тех самых туннелирующих колебательных контуров. 

Ответ на "вечный вопрос" физики: насколько большим может быть объект, который демонстрирует квантовое поведение? Работы лауреатов сдвинули "границу странного" в зону макро, где работают инженерные инструменты и где квантовость можно мерить, стандартизовать и тиражировать. 

Исторические параллели: от альфа-распада к джозефсоновскому переходу

1920-е. Георгий Гамов объясняет α-распад атомных ядер через туннелирование; Фаулер и Нордгейм описывают полевую эмиссию электронов из металлов.1958-1973. Лео Эсаки демонстрирует туннельный диод; Ивар Джорджиявер и Брайан Джозефсон открывают эффекты туннелирования в сверхпроводниках — Нобелевская-1973.1980-е. Кларк, Деворе и Мартинис показывают, что коллективная макроскопическая координата цепи подчиняется тем же квантовым законам: барьеры "просачиваемы", уровни — квантуются. Дальше — путь к "искусственным атомам" и трансмону. 

Как это работает "на пальцах"

Представьте сверхпроводящий кольцевой контур с джозефсоновским контактом. Его можно описать как квантовый маятник в "гофрированном" потенциале. Классически маятник должен "перекатиться" через гребень, но при низкой температуре и слабом шуме он квантует энергию и с малой, но конечной вероятностью туннелирует в соседнюю "ямку", минуя вершину барьера. Измерив такие редкие "перескоки" и спектр уровней, можно убедиться: перед нами квантовый объект макроскопических размеров. 

Где встречается туннелирование в повседневной технике

Память и логика: тонкие окисные барьеры в флеш-памяти и КМОП-узлах используют туннельные токи для записи/утечек — их учитывают при проектировании энергоэффективных чипов.

Датчики и МРТ: сверхчувствительные магнитометры (СКВИД) работают на джозефсоновских эффектах и туннелировании куперовских пар; квантовая чувствительность — в основе медицинской диагностики и материаловедения.

Связь и фотоэлектроника: туннельные переходы применяют в ИК-фотодетекторах и лазерах с квантовыми каскадами.

Квантовые процессоры: кубиты-трансмоны — "приглушённые" джозефсоновские осцилляторы с управляемым спектром уровней; их когерентность и частоты — прямое наследие нобелевских экспериментов. 

Куда всё идёт: от "странностей" к стандартам

Ближайшие выигрыши — квантовые сенсоры (геодезия, медицина, фундаментальные тесты) и нишевая квантовая вычислительная техника с гибридными архитектурами (классика + квант). Индустрия уже умеет проектировать цепи как "искусственные атомы", а значит, мир ждут новые стандарты измерений и защиты данных. Но, как честно напоминают сами лауреаты, "квантовый компьютер общего назначения" остаётся задачей на десятилетия. 

FAQ

Что такое квантовый туннельный эффект?Это переход квантовой системы через энергетический барьер, который классически непреодолим. Вероятность мала, но не нулевая — и именно это позволяет наблюдать редкие "перескоки".

Почему Нобель-2025 — про "макроскопическое"?Потому что эффект показан в системе из множества частиц - сверхпроводящей микросхеме, — а не на одиночных электронах. Это делает квантовые явления инженерно управляемыми. 

Как это связано с телефонами и компьютерами?Квантовые эффекты лежат в основе современной элементной базы (туннельные токи, барьеры, датчики) и будущих технологий — квантовых коммуникаций и вычислений. 

Кто такие Кларк, Деворе и Мартинис?Физики, чьи 1980-е эксперименты с джозефсоновскими системами показали туннелирование и квантование на "человеческом масштабе". Впоследствии их школы сформировали направление сверхпроводящих кубитов; Мартинис возглавлял квантовую программу Google. 

Это "конец классической физики"?Нет. Классика остаётся отличной аппроксимацией для больших систем при шуме и температуре. Новизна в том, что теперь мы умеем сохранять квантовость достаточно долго и использовать её в устройствах.

наука нобелевская премия  

Правда.Ру