Электрическая цепь с туннельным эффектом

Многоопытные мастера из Шведской королевской академии наук в очередной раз обвели вокруг пальца всех любителей делать ставки на различных научных тотализаторах: объявленные ими во вторник 7 октября имена победителей в престижнейшей физической номинации не значились ни в одном из списков возможных кандидатов.

Лауреатами этого года стали трое бывших коллег по работе в Калифорнийском университете в Беркли (США) — Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис «за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи». Самому старшему из них, Кларку, 83 года, а двум его экс-подопечным 72 года и 67 лет соответственно. Лишь один из них, Джон Мартинис, родился в Соединенных Штатах, тогда как руководитель экспериментальной группы Кларк родом из Великобритании, Деворе — из Франции.

Как отметили кураторы премии, эксперименты Кларка, Деворе и Мартиниса на чипе «продемонстрировали квантовую физику в действии. Один из основных вопросов физики — максимальный размер системы, в которой могут проявляться квантово-механические эффекты. Лауреаты Нобелевской премии этого года провели эксперименты с электрической цепью, в которых продемонстрировали как квантово-механический туннельный эффект, так и квантованные уровни энергии в системе, достаточно большой, чтобы ее можно было держать в руке».

И целом можно констатировать, что нынешняя физическая Нобелевка — довольно редкий пример присуждения высшей научной награды за одну серию экспериментальных работ, осуществленных совместно всеми лауреатами в одной команде. Ну и, разумеется, нельзя не обратить внимание на то, что шведские кураторы снова основательно покопались в старых закромах, обратив свое чуткое внимание на исследования, осуществленные сорок лет назад — в середине 80-х годов прошлого века.

Нобелевские лауреаты Энтони Леггетт и Брайан Джозефсон

Wikipedia

Скромные строители фундамента

В телефонном разговоре с Нобелевским комитетом в ходе официальной пресс-конференции в Стокгольме Джон Кларк признался: «Мягко говоря, это было самым большим сюрпризом в моей жизни». И деликатно добавил: то, что проделанная ими работа достойна Нобелевской премии, «никоим образом не приходило нам в голову».

Он также отметил, что это открытие не было бы возможным без участия двух других лауреатов: «Я, конечно, был лидером группы, но их вклад просто огромен».

Помимо признания вклада Деворе и Мартиниса Кларк честно добавил, что их работа стала возможной прежде всего благодаря теоретическим изысканиям Энтони Леггетта и Брайана Джозефсона (двух более ранних маститых Нобелевских лауреатов — об их важнейшей роли мы расскажем ниже), которые заложили основу для их экспериментальных исследований в области туннелирования в сверхпроводящих цепях.

В то же время г-н Кларк уже без лишней скромности сказал и о том, что «[Современные] квантовые вычисления в своей основе в значительной степени опираются на наше открытие».

И, как отметил в своих комментариях для нашего издания заведующий кафедрой физики твердого тела и наносистем (№ 70) НИЯУ МИФИ доктор физико-математических наук Михаил Маслов, «фактически это открытие позволило перенести квантовые явления на уровень микросхемы, выведя их за пределы субатомного масштаба. Безусловно, это открытие имеет фундаментальное значение для прогресса в области квантовых технологий, охватывающих квантовые вычисления, квантовые сенсоры и системы квантовой криптографии».

В свою очередь, директор Центра космических исследований и технологий НИЯУ МИФИ Евгений Стёпин уточнил, что эксперименты группы Кларка заложили фундамент в том числе и для разработки «новых систем связи и осуществления сверхточных измерений, востребованных в космической отрасли для решения задач навигации и разведки, наведения и стабилизации космических аппаратов, создания абсолютно защищенных каналов связи между спутниками и Землей».

Нобелевский лауреат 1933 года Эрвин Шредингер

Wikipedia

Шредингер и прочие квантовые кудесники

В специальном обзоре Шведской академии, посвященном нынешним лауреатам и их роли в постепенном выстраивании современной квантовой науки, привычно делается неспешный экскурс в историю: дежурно упоминается отец квантовой механики Эрвин Шредингер, получивший Нобелевку за свое легендарное уравнение еще в 1933 году, и далее кратко описывается теоретическая и экспериментальная работа, проделанная в последующие несколько десятилетий различными исследователями, которые стремились найти сферы практического применения для описанной Шредингером волновой функции «в областях, считавшихся классически запрещенными».

В частности, отмечается, что одним из первых примеров успешного применения этой теории стало объяснение альфа-распада: «В этом процессе альфа-частица удерживается в ядре потенциальным барьером, но имеет конечную вероятность преодолеть его (благодаря так называемому квантовому, или волномеханическому, туннелированию — эффекту, при котором частица может проходить через барьер, когда ее энергия меньше, чем высота барьера. — “Стимул”)…

Квантовое туннелирование также помогло понять, почему радиоактивный распад является вероятностным процессом. Период полураспада в значительной степени зависит от высоты и толщины потенциального барьера, который препятствует распространению альфа-частиц».

Квантовое туннелирование оказалось важным явлением не только для радиоактивного распада: Нобелевская премия по физике 1973 года (точнее, ее первая половина) была присуждена японцу Лео Эсаки и норвежцу Айвару Джайеверу за их экспериментальные открытия, касающиеся явлений туннелирования электронов в полупроводниках и сверхпроводниках.

Так, эксперименты Джайевера, проведенные в 1960 году, подтвердили существование так называемого энергетического зазора (запрещенной зоны) в сверхпроводниках, что ранее было теоретически предсказано Джоном Бардином, Леоном Купером и Робертом Шриффером. Их совместная теория BCS (по первым буквам их фамилий) была удостоена Нобелевской премии по физике в 1972 году. А вторая половина Нобелевской премии 1973 года (помимо получивших ее Эсаки и Джайевера) была присуждена Брайану Джозефсону, чьи теоретические предсказания, как мы уже упоминали выше, стали одной из основ для экспериментальных работ нынешних лауреатов физической Нобелевки.

Так, теория BCS утверждает, что электроны, будучи фермионами, объединяются в так называемые куперовские пары, которые в то же время являются составными бозонами (фермионы, которые образуют материю и подчиняются статистике Ферми — Дирака, имеют полуцелый спин, а бозоны, являющиеся переносчиками фундаментальных взаимодействий и подчиняющиеся статистике Бозе — Эйнштейна, — целый).

И Брайан Джозефсон еще в начале 1960-х предположил, что такие куперовские пары могут туннелировать без сопротивления через изолирующий барьер, что приводит к возникновению тока нулевого напряжения (ток при нулевом напряжении относится к случаям, когда электрический ток протекает, несмотря на нулевую разность напряжений, в частности в сверхпроводниках).

Этот эффект, чуть позднее получивший название «эффект Джозефсона», был экспериментально подтвержден в Bell Labs уже в 1963 году.

В обзоре Шведской академии далее уточняется, что еще одно практическое явление, связанное с бозе-эйнштейновской конденсацией макроскопического числа бозонов в единое состояние, — это сверхтекучесть: за экспериментальное открытие этой фазы Нобелевская премия по физике была присуждена в 1996 году Дэвиду Ли, Дугласу Ошероффу и Роберту Ричардсону. А в 2003 году за свой вклад в эту теорию был удостоен Нобелевской премии по физике уже упоминавшийся нами Энтони Леггетт.

И одна из ключевых гипотез, в общем виде сформулированная Леггеттом в 1978 году, заключалась в том, что квантовое туннелирование между двумя макроскопически различными компонентами может быть практически (экспериментально) реализовано в сверхпроводящих цепях при сверхнизкой температуре в несколько милликельвинов. Одна же из возможных причин, по которой макроскопическое квантовое туннелирование (MQT) может быть обнаружено в сверхпроводящих цепях, заключается в их очень низком сопротивлении.

Калифорнийский университет в Беркли

Wikipedia

В дело вступает Кларк и его команда

В начале 1980-х сразу несколько групп исследователей активно занимались поиском экспериментальных подтверждений существования макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводящих цепях. В своих экспериментах они использовали джозефсоновский переход с токовым смещением, итеративно увеличивая это смещение и регистрируя возникающее в результате напряжение.

Основная проблема в этих экспериментах заключалась в том, что наблюдавшееся ими в низкотемпературном режиме распределение выходного тока помимо теоретически предсказанного эффекта макроскопического квантового туннелирования могло объясняться также «избыточным шумом», который не находится в тепловом равновесии с термометром, измеряющим температуру. А значит, для убедительного доказательства наличия эффекта MQT необходимо было экспериментально устранить влияние этого избыточного шума.

И именно это стало одной из изюминок в серии экспериментов, вскоре успешно осуществленных в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли группой Джона Кларка.

Британец Джон Кларк, который окончил престижный Кембриджский университет и получил там в 1968 году докторскую степень, пришел в Калифорнийский университет в Беркли в 1969 году и начал работать над сверхпроводящими переходами и их возможным практическим применением. Вместе со своим тогдашним аспирантом Джоном Мартинисом и постдокторантом Мишелем Деворе из французского Центра ядерных исследований Сакле они смогли в 1984‒1985 годах провести серию экспериментов, которые наконец наглядно подтвердили существование MQT.

В своей пионерской установке исследовательская группа Кларка использовала тщательно продуманную систему фильтров, которая обеспечивала подавление шумов более чем на 200 дБ в диапазоне частот от 0,1 до 12 ГГц. В основе этой системы лежали разработанные незадолго до этого микроволновые фильтры из медного порошка.

Кроме того, особое внимание ученые уделили термостабилизации цепи фильтров на различных температурных уровнях работы криостата.

Как отмечается в научном обзоре Шведской академии, «еще одной ключевой частью установки стала слабосвязанная микроволновая линия управления, предназначенная для резонансной активации соединения. С помощью этой активации можно было непосредственно определить плазменную частоту соединения — резонансную частоту частицы в локальном минимуме, действуя в полностью классическом режиме… Критический ток в соединении можно было измерить без использования микроволновой активации».

Пионерские эксперименты группы Кларка представляли собой разновидность спектроскопического измерения, которое также практически продемонстрировало квантованные уровни энергии в одной макроскопической квантовой системе, то есть то, что система ведет себя именно так, как предсказывает квантовая механика: она квантуется, то есть поглощает или испускает только определенное количество энергии.

И, как констатируется в официальном релизе Шведской академии, проведенные Кларком и его командой эксперименты «открыли возможности для разработки следующего поколения квантовых технологий, включая квантовую криптографию, квантовые компьютеры и квантовые датчики».

В частности, уже в 1990-е годы благодаря работе группы Кларка исследователи квантового мира пришли к выводу, что сверхпроводящие схемы являются одной из возможных перспективных платформ для дальнейших практических экспериментов в области создания управляемых квантовых двухуровневых систем (квантовых битов, или кубитов).

Весьма показательно также, что в этом быстро набирающем темпы процессе разработки квантовых компьютеров и прочих практически полезных вещей принимают активное участие и двое более молодых исследователей из команды Кларка. Мишель Деворе сразу после завершения серии пионерских экспериментов в середине 1980-х вернулся во Францию, чтобы создать собственную исследовательскую группу в Комиссариате по атомной энергии в Сакле (CEA-Saclay), а уже в начале 2000-х он снова переехал в США и в 2024 году перешел на работу в Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, причем параллельно он стал главным научным сотрудником Google Quantum AI.

Джон Мартинис со своей исследовательской командой из того же Калифорнийского университета в Санта-Барбаре был еще в 2014 году привлечен Google с целью создания «первого полезного квантового компьютера», а в 2020 году он переехал в Австралию, чтобы присоединиться к стартапу Silicon Quantum Computing. В 2022 году он стал соучредителем компании Qolab, в которой в настоящее время занимает должность технического директора.