Новини

Всього : Фотографія :

Триває Нобелівський тиждень КНУ.

7 жовтня 2025 року Шведська королівська академія наук нагородила Нобелівською премії з фізики. науковців Джона Кларка, Мішеля Х. Деворе та Джона М. Мартініса «за відкриття макроскопічного квантово-механічного тунелювання та квантування енергії в електричному ланцюзі».

Вчені провели серію експериментів, які показали, що дивні явища квантового світу можна спостерігати у макроскопічній системі настільки великій, що її можна тримати в руці. У їхньому надпровідному електричному пристрої розміром 1 см проявились два суто квантові явища, що не мають аналогів у класичній фізиці і повсякденному житті: «тунелювання» системи з одного стану в інший крізь потенціальний бар’єр, ніби проходячи крізь стіну, а також, поглинання і випромінювання енергії порціями певного розміру – саме так, як передбачає квантова механіка.

У Нобелівському комітеті кажуть, що «їхні експерименти на чіпі показали квантову фізику в дії». Це дозволить розробляти наступні покоління квантових технологій, включно з квантовою криптографією, квантовими комп'ютерами і квантовими датчиками.

Що про цьогорічну премію з фізики говорять експерти Фізичного факультету КНУ?

Ігор Дмитрук, доктор фіз.-мат. наук, професор, завідувач кафедри експериментальної фізики:

«Квантова механіка описує закони природи на масштабі одиночних частинок. У фізиці такі системи називають мікроскопічними, хоча коли вони ще набагато менші, ніж можна побачити у оптичний мікроскоп. Це відрізняється від макроскопічних систем, що складаються з великої кількості частинок. До недавнього часу мікроскопічні і макроскопічні системи і закони, що їх описують існували як два паралельні світи, які мають мало точок дотику, а іноді входять у протиріччя.

Наприклад, звичайний м’яч побудований із величезної кількості молекул і не демонструє квантових ефектів. Ми знаємо, що м’яч відскочить, якщо його кинути в стіну. Проте одна частинка у мікросвіті квантів іноді може пройти прямо через подібну бар’єрну перешкоду й з’явитися по інший бік – це явище називається тунелюванням. Цьогорічна Нобелівська премія з фізики відзначає експерименти, які показали, що квантове тунелювання може спостерігатися на макроскопічному рівні, із залученням багатьох частинок одночасно.

У 1984–1985 роках Клерк, Деворе і Мартініс провели серію експериментів в Університеті Каліфорнії в Берклі. Вони побудували електричну схему з двох надпровідників, компоненти яких здатні проводити струм без опору. Між ними вони розмістили тонкий шар із матеріалу, який не проводить струм. Крізь нього спостерігалося тунелювання. Причому величезної кількості частинок, які поводять себе злагоджено, наче це одна частинка, що заповнює всю схему! А її рух описувався законами квантової фізики, які в цьому випадку працювали на макроскопічному масштабі. Також лауреати змогли також показати, що ця система квантує, тобто поглинає або випромінює енергію лише певними порціями».

Професор Дмитрук так описує практичну й теоретичну користь відзначеного Нобелем відкриття:

«Ці експерименти мають значення як для розуміння квантової механіки, так і для її застосувань. Усі відомі наразі макроскопічні квантові ефекти зазвичай складаються з багатьох мікроскопічних часток. Мікроскопічні компоненти об’єднуються, і їхні окремі квантові властивості виявляються у макроскопічних явищах – таких як лазери, надпровідники, надплинні рідини. Але в цьому випадку експеримент створив макроскопічний ефект (вимірювану напругу) з системи, яка сама по собі є макроскопічною – із спільною хвильовою функцією для великої кількості частинок.

Теоретики, як-от Ентоні Леджетт, порівнювали цю макроскопічну квантову систему з знаменитим Gedanken-експериментом Ервіна Шредінгера, де кіт у коробці одночасно був би живим і мертвим, поки ми не зазирнемо всередину. Метою цього експерименту було показати абсурдність такого стану, адже квантові властивості зазвичай губляться на макроскопічному рівні. Квантові властивості цілого кота ще нікому не вдавалось продемонструвати у лабораторії. Але серія експериментів Клерка, Деворе і Мартініса показала, що існують явища, в яких велика кількість частинок поводиться так, як передбачає квантова механіка.

Ця макроскопічна квантова система – хоч і набагато менша за кота – може розглядатися як «штучний атом» у великому масштабі: атом, до якого можна під’єднувати «дроти» й «контакти», щоб будувати нові експерименти або використовувати в нових квантових технологіях.

Іншим прикладом є експеримент з квантовим комп’ютером, який пізніше виконав Мартініс, використовуючи саме квантування енергії, яку він і інші лауреати продемонстрували. Він застосував електричну схему з квантованими станами як носій інформації – квантовий біт («кубіт»). Найнижчий енергетичний стан відповідав «0», а наступний – «1», а проміжні суперпозиційні стани кодували квантову інформацію. Надпровідні схеми – один із методів побудови квантового комп’ютера.

Отже, лавреати 2025 року зробили внесок як у практичне застосування квантової фізики, так і в глибше теоретичне розуміння нашого світу».

За словами Ігоря Дмитрука, наукові дослідження в галузі квантової фізики і її застосувань впродовж багатьох років ведуться на кількох факультетах Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Створені відповідні освітні програми для студентів. Наприклад, на Фізичному факультеті – магістерські освітні програми «Квантова теорія поля», «Фізика наносистем», «Оптика, лазерна фізика», «Квантові комп’ютери, обчислення та інформація» та відповідні СВБ у бакалаврських програмах.

Нобелівський тиждень у КНУ – це серія коментарів КНУ-експертів про цьогорічні премії з фізіології та медицини, фізики, хімії, літератури, миру та економіки.

За матеріалами Фізичного факультету КНУ

Ілюстрації: Олена Лисак, Центр комунікацій КНУ; Нобелівський комітет

Центр комунікацій