Нобель–2025: коли квантова механіка стає видимою

Нобелівська премія з фізики 2025 року стала новою віхою в розумінні квантового світу. Мішель Анрі Деворе, Джон Кларк і Джон М. Мартініс отримали всесвітнє визнання за відкриття макроскопічного квантово-механічного тунелювання та квантування енергії в електричному колі — явищ, що зближують фундаментальну фізику з інженерією майбутнього. Як це відкриття змінює наше бачення природи і яка філософія квантової фізики — про це говоримо з директором ННІ «Фізико-технічний факультет» Пилипом Кузнєцовим.

Пане Пилипе, цьогорічна Нобелівська премія з фізики присуджена за відкриття, яке доводить, що квантові ефекти можуть проявлятися в макросвіті. Як би Ви пояснили суть цього відкриття простою мовою?

Це відкриття по суті доводить, що дивні правила квантового світу можуть застосовуватися не лише до мікроскопічних об’єктів (атомів), але й до об’єктів, які є достатньо великими, щоб їх можна було побачити. Усім нам відомо, що у квантовій механіці існує так званий ефект тунелювання, коли частинка з енергією меншою за енергію бар’єра може подолати його. Це ніби м’ячик, який не має достатньо енергії, щоб перекотитися через пагорб, просто зникає на одному боці пагорба і з’являється на іншому, фактично пройшовши крізь стіну. Така собі телепортація, якщо хочете.

Квантова механіка існує вже понад сто років. Що нового змогли показати цьогорічні лауреати?

Фактично вони довели, що електричне коло, зроблене з надпровідників, яке містить мільярди електронів і є достатньо великим, щоб вважатися «макроскопічним», може поводитися як єдина квантова частинка. Перехід цілого ансамблю електронів крізь енергетичний бар’єр підтверджує, що колективна поведінка мільярдів частинок все ще є квантовою.

У чому полягала складність експерименту?

Головна складність експерименту полягала в необхідності ізолювати відносно велику (макроскопічну) квантову систему від будь-якого зовнішнього впливу, який би зруйнував її квантові властивості. Проблема ізоляції від так званого шуму (теплового та електромагнітного) вирішувалася за допомогою наднизької температури експерименту та наявності багатошарової екранізації. Також слід було розробити надзвичайно чутливі методи вимірювання, зокрема використання резонансної активації та надпровідного ефекту Джозефсона.

Що таке квантове тунелювання і чому це явище виглядає «суперечливим» із точки зору класичної фізики?

Квантове тунелювання є наслідком так званого корпускулярно-хвильового дуалізму. Мікрооб’єкти є частинками та хвилями одночасно. Згідно з квантовою механікою, частинка описується хвильовою функцією, яка визначає ймовірність перебування частинки в певній точці простору. Навіть у межах бар’єра (в класично забороненій області) хвильова функція не дорівнює нулю миттєво, а експоненціально згасає. Якщо бар’єр достатньо тонкий, ця хвильова функція має невелику, але не нульову амплітуду по інший бік, що і означає кінцеву ймовірність «проникнення» частинки через бар’єр. Чи можливо це з точки зору нашого здорового глузду?

Чому, на Вашу думку, квантова механіка досі викликає стільки подиву й навіть філософських запитань?

Квантова механіка досі викликає стільки подиву й філософських запитань, оскільки її фундаментальні принципи прямо суперечать нашій щоденній інтуїції та досвіду макроскопічного світу, кидаючи виклик базовим уявленням про реальність та причинність. На відміну від класичної фізики, де об’єкт завжди перебуває в одному визначеному стані, квантова механіка пропонує феномен суперпозиції, за якого частинка існує в усіх можливих станах одночасно до моменту вимірювання, що змушує нас замислитися про природу реальності до того, як ми її спостерігаємо. Крім того, квантова механіка є імовірнісною, а не детермінованою: вона може передбачити лише шанси знаходження частинки в певному стані, що порушує філософське питання про те, чи є Всесвіт фундаментально випадковим (як стверджував Айнштайн, коли говорив, що «Бог не грає в кості»). Найглибшим філософським каменем спотикання є проблема вимірювання, оскільки акт спостереження активно руйнує суперпозицію, змушуючи систему «обрати» один класичний стан. Це ставить питання про роль спостерігача і те, чи відіграє свідомість активну роль у створенні фізичної реальності. Нарешті, такі явища, як квантова заплутаність, де дві частинки миттєво корелюють свої стани незалежно від відстані, суперечать принципу локальності й змушують нас переглянути, наскільки фундаментальними є простір і час. Саме через ці фундаментальні розбіжності з повсякденним досвідом квантова механіка залишається джерелом постійних філософських дебатів про саму природу буття.

Як це відкриття може вплинути на підготовку студентів фізико-технічного факультету?

2025 рік — Міжнародний рік квантової науки та технологій. Його проголосила ООН під егідою ЮНЕСКО на честь 100-річчя закладання основ сучасної квантової механіки. Головна мета — підвищити глобальну обізнаність про фундаментальне значення квантової науки та її трансформаційний потенціал для технологій майбутнього: квантових обчислень, сенсорів, криптографії. ННІ «Фізико-технічний факультет» стежить за сучасними високими технологіями. Визначним є те, що саме цього року ми відкрили нову міждисциплінарну магістерську освітньо-наукову програму «Квантові технології та квантові обчислення». Фахівці IT-сфери мають можливість підвищувати кваліфікацію за однойменною сертифікатною програмою. В Інституті виконують міжнародний науковий проєкт «Квантова динаміка в новітніх халькогенідних матеріалах та пристроях» у співпраці з колегами з США та Польщі. Ми проводимо освітньо наукові заходи, такі як «Харківський квантовий семінар», «Майстер-клас з квантового програмування» та «Зимова квантова школа». Ну і звісно, усі сучасні відкриття та винаходи інтегруються до освітніх курсів, які викладаються на фізико-технічному. Таким чином, випускник фізтеху завжди є затребуваним на ринку праці, зокрема в області квантових технологій та квантових обчислень.