Исследования, отмеченные Нобелевской премией по физике в 2025 году, стали мощным стимулом для нынешнего стремительного развития квантовой информатики. Об этом заявил Глеб Федоров, старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем Московского физико-технического института (МФТИ) и кандидат физико-математических наук.
Нобелевскую премию по физике в 2025 году получили британский ученый Джон Кларк, француз Мишель Деворе и американец Джон Мартинис. Награда была присуждена им за новаторские открытия в области макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрических цепях.
Истоки квантовой неопределенности: «Кот Шредингера»
По словам Федорова, текущий год знаменует столетие квантовой механики. Изначально эта теория описывала механические движения микрочастиц, но довольно быстро расширилась до квантовой электродинамики. Однако долгое время оставался дискуссионным вопрос о том, можно ли применять принципы квантования к уравнениям, описывающим привычные электрические цепи, состоящие из макроскопического числа частиц.
Эта неопределённость, как отметил Федоров, ассоциировалась с парадоксом «кота Шредингера» — знаменитым мысленным экспериментом, предложенным выдающимся физиком Эрвином Шредингером в 1935 году. Этот эксперимент наглядно демонстрирует парадоксальные следствия, возникающие при попытке применить законы квантового мира к объектам макроскопического размера.
Прорывные эксперименты и искусственные атомы
Переломным моментом, окончательно давшим положительный ответ на упомянутый вопрос, стал эксперимент, проведённый Деворе, Мартинисом и Кларком в 1985 году.
Хотя аналогичные эксперименты проводились учеными IBM ещё в 1981 году, наиболее значимым результатом группы Кларка, по мнению Федорова, стало прямое наблюдение дискретных спектральных линий на предсказанных частотах в сверхпроводящей цепи. Эта цепь стала первым примером сверхпроводникового искусственного атома.
Учёный подробно объяснил особенности таких объектов:
«В англоязычной научной литературе подобная цепь часто обозначается как фазовый кубит, хотя этот термин не вполне корректен, поскольку такие системы, как правило, обладают гораздо большим числом энергетических уровней, чем два. Именно широкое многообразие возможных электрических цепей и конфигураций `орбиталей`, возникающих в них, позволяет называть такие системы атомами, новые виды которых открываются практически ежегодно».
Применение в квантовых вычислениях и новые горизонты
Наиболее перспективным практическим применением таких цепей в настоящее время считаются устройства для квантовых вычислений, где каждый искусственный атом кодирует свою часть общего квантового состояния.
Лидирующие позиции в этой области занимают такие гиганты, как Google (где Джон Мартинис играл ключевую роль, а Мишель Деворе работает сейчас) и IBM. Можно с уверенностью сказать, что именно быстрые успехи сверхпроводниковых квантовых устройств стали катализатором нынешнего «бума» в квантовой информатике, распространившись и на другие физические платформы, такие как ионы, нейтральные атомы и спины.
Федоров также отметил схожесть нынешней премии с Нобелевской премией по физике 2012 года, присуждённой французу Сержу Арошу и американцу Дэвиду Уайнленду за разработку методов управления отдельными квантовыми частицами и наблюдения за ними. Однако, подчеркнул он, теперь, помимо работы с индивидуально «захваченными» естественными атомами, мы, образно выражаясь, научились создавать их для экспериментов по собственному усмотрению. Некоторые характеристики искусственных атомов в этом случае оказываются значительно более удобными для проведения исследований.
Кроме того, лауреаты внесли значительный вклад во множество фундаментальных работ в области квантовой оптики, проливающих свет на новые грани квантового мира. По словам Федорова, совместно с Олегом Астафьевым, заведующим лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ, и другими коллегами, ими была основана новая научная область — квантовая электродинамика электрических цепей (circuit QED, cQED) с излучением микроволнового диапазона, которой в настоящее время посвящены многочисленные обзоры в научных журналах с сотнями ссылок.
