Квантование на ладони

Визуализация работы квантового мира

Квантовая механика описывает явления, которые работают в масштабах отдельных частиц, и их невозможно увидеть в оптический микроскоп. Джон Кларк, Мишель Х. Деворе и Джон М. Мартинис провели серию экспериментов, чтобы продемонстрировать, как свойства квантового мира можно воплотить в системе, достаточно большой, чтобы уместиться в руке. Они показали такое явление, как квантово-механическое туннелирование. 

Квантовое туннелирование — это эффект, при котором квантовые частицы могут проходить через барьеры, высота которых больше, чем энергия самих частиц. Это объясняется природой частиц в квантовой физике, которые могут вести себя как волны. Туннелирование еще можно уподобить телепортации, но только при определенных условиях и в микромасштабе. В реальном мире этот процесс можно представить как поведение мяча, который отскакивает каждый раз, когда его бросают в стену, но потом внезапно проходит через нее.

Способность отдельных частиц к туннелированию открыли в первой половине ХХ века. В 1928 году физик Георгий Гамов обнаружил, что именно из-за туннелирования тяжелые атомные ядра склонны распадаться определенным образом. Обычно взаимодействие сил в ядре создает вокруг него барьер, удерживающий частицы внутри. Однако, несмотря на это, небольшой фрагмент атомного ядра иногда может отколоться и выйти за пределы барьера, а само ядро превратится в другой элемент. Этот процесс называется альфа-распадом. Без туннелирования он просто не мог бы происходить. Период время, который требуется для начала туннелирования, еще называют периодом полураспада. 

Уже тогда физики задались вопросом: «Возможно ли исследовать тип туннелирования, в котором участвует более одной частицы одновременно?» 

В 1984–1985 гг. Кларк, Деворе и Мартинис провели серию экспериментов в Калифорнийском университете в Беркли. Они построили электрическую цепь из двух сверхпроводников — компонентов, способных проводить ток без какого-либо электрического сопротивления. Их разделили тонким слоем материала, не проводящего ток. В сверхпроводниках электроны обычно объединяются в пары, которые называют куперовскими. Поведение куперовских пар отличается от поведения обычных электронов, которые обладают высокой степенью целостности и предпочитают держаться на расстоянии друг от друга. Однако в сверхпроводнике эти частицы объединяются и теряют часть своей индивидуальности, поэтому две куперовские пары могут быть совершенно одинаковыми. Таким образом, эти пары электронов в сверхпроводнике можно описать как единое целое или одну квантово-механическую систему. На языке квантовой механики они также описываются единой волновой функцией. 

Кларк, Деворе и Мартинис показали, что все заряженные частицы в сверхпроводнике ведут себя согласованно, как будто они являются единой частицей, заполняющей всю цепь. Размер микросхемы, на которой находилась электрическая цепь, составлял около сантиметра, а ее заполняли миллиарды куперовских пар.

При этом система находится в состоянии, в котором ток течет без напряжения. Она проявляет свою квантовую природу, когда использует туннелирование для выхода из нулевого напряжения, генерируя электричество. Ученым также удалось показать, что система квантована, то есть поглощает или испускает энергию только в определенных количествах.

Авторы эксперимента использовали сверхтонкий изолятор между двумя сверхпроводниками, чтобы получить джозефсоновский переход. Этот компонент назван в честь Брайана Джозефсона. Именно через джозефсоновский переход куперовские пары электронов проходят без сопротивления и не теряя энергии.

Эксперимент со множеством случайностей

Кларк, Деворе и Мартинис подавали слабый ток в джозефсоновский переход и измеряли напряжение, которое связано с электрическим сопротивлением в цепи. Изначально оно было равно нулю, как и предусмотрено теорией. Затем ученые исследовали, сколько времени потребовалось системе для туннелирования, приводящего к появлению напряжения. 

Исследователи выяснили, что система имеет квантованные энергетические уровни. Они вводили микроволны различной длины в состояние с нулевым напряжением, и некоторые из них поглощались, а система переходила на более высокий уровень. Это показало, что состояние с нулевым напряжением длится короче, когда система содержит больше энергии. Именно так и работает квантовое туннелирование.

Спор со Шредингером

Ранее мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с котом в коробке, где тот был бы одновременно и жив, и мертв, проиллюстрировал абсурдность квантовой физики в макроскопическом масштабе. Ученый предполагал, что на практике суперпозиция кота, когда он находился сразу в двух этих состояниях, распадалась бы чрезвычайно быстро из-за взаимодействия с окружающей средой. Такие физики, как Нобелевский лауреат 2003 года Энтони Леггетт, еще в 1970-х гг. начали задаваться вопросом: что, если эксперимент Шредингера можно провести в реальной среде, например, в сверхпроводящих или сверхтекучих системах? Впоследствии он заявил, что эксперимент Кларка, Деворе и Мартиниса стал тем самым, который показал возможность суперпозиции системы из нескольких частиц. Если для обычного человека электроцепь на микросхеме диаметром 1 см — миниатюрная, то в масштабах квантовой физики ее фактически можно сравнить с котом.

Также ученые представили эффект туннелирования в форме общей волновой функции для огромного числа частиц.

В современном мире макроскопическое квантовое состояние открывает новые возможности для экспериментов. Например, искусственные атомы большего масштаба используются для моделирования других квантовых систем, чтобы помочь в их понимании.

Еще один пример — эксперимент с квантовым компьютером, который провел сам Мартинис. В качестве единиц хранения информации он использовал схему с квантованными состояниями или квантовый бит, где ноль обозначал состояние с наименьшей энергией. 

Работа ученых доказала, что квантовым туннелированием электронов в сверхпроводниках можно управлять, и это заложило основу для квантовых компьютеров на сверхпроводниковых кубитах. Исследователи разработали методы, которые позволили строить стабильные кубиты — минимальные элементы квантовых вычислений. Это помогло квантовой механике выйти из теоретической в практическую область: появились первые прототипы сверхпроводниковых квантовых процессоров, например, Google Quantum AI и IBM Quantum.