В мире физики низких температур произошло событие, которое может переопределить границы нашего понимания реальности. Исследователям удалось не просто зафиксировать, но и детально изучить макроскопическое квантовое туннелирование в искусственно созданной сверхпроводящей цепи. Это явление, при котором целый объект, видимый невооруженным глазом (по квантовым меркам), преодолевает энергетический барьер, ведет себя не как классический бильярдный шар, а как волна вероятности. Данное открытие не только подтверждает фундаментальные принципы квантовой механики на новом уровне, но и прокладывает путь к созданию совершенно новых типов вычислительных устройств.

Долгое время квантовое туннелирование считалось прерогативой микрочастиц, таких как электроны. Идея о том, что макроскопическая система, состоящая из миллиардов атомов, может демонстрировать подобное поведение, казалась парадоксальной. Однако сверхпроводящие цепи, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю, становятся идеальным полигоном для наблюдения квантовых эффектов на макроуровне. В этих условиях система перестает подчиняться законам классической физики, демонстрируя когерентное поведение, которое ученые искали десятилетиями.

Как макроскопический объект проходит сквозь стены

Чтобы понять суть эксперимента, представьте себе ландшафт с холмом. Классический объект, чтобы попасть в соседнюю долину, должен перекатиться через вершину, затратив энергию. Однако макроскопическое квантовое туннелирование позволяет объекту «просочиться» сквозь холм, оказавшись в соседней долине мгновенно, без затрат энергии на преодоление вершины. В эксперименте роль «холма» играл энергетический барьер, созданный в сверхпроводящей цепи, а роль объекта — квантовое состояние всего контура, ток в котором тек одновременно по часовой стрелке и против нее.

Ключевым элементом установки стал джозефсоновский контакт — тонкий слой изолятора между двумя сверхпроводниками. Именно он создает нелинейную индуктивность, формируя двухъямный потенциал, необходимый для туннелирования. Ученые охладили цепь до температуры в несколько милликельвинов, чтобы исключить тепловые флуктуации. В этот момент система перешла в основное квантовое состояние, и единственным способом переключения между состояниями «тока вправо» и «тока влево» осталось квантовое туннелирование. Измеряя частоту этих переключений, исследователи подтвердили, что она не зависит от температуры, что является прямым доказательством квантовой, а не тепловой природы процесса.

Технологический прорыв в измерении квантовой когерентности

Сложность обнаружения эффекта заключалась в его чрезвычайной хрупкости. Любое взаимодействие с окружающей средой, даже самое слабое, вызывает декогеренцию, разрушая квантовое состояние и превращая туннелирование в обычный классический шум. Команда физиков применила новаторский подход к экранированию и фильтрации сигналов, создав практически идеально изолированную квантовую систему. Использование микроволновых резонаторов высокой добротности позволило не только наблюдать, но и управлять процессом туннелирования в реальном времени.

Мы наблюдали резонансное туннелирование, при котором система осциллирует между двумя макроскопически различными состояниями с частотой, точно предсказанной квантовой теорией. Это все равно что увидеть, как камертон весом в несколько микрограммов звучит на одной частоте, будучи при этом в двух местах одновременно, — комментирует ведущий теоретик проекта.

Для количественной оценки явления исследователи использовали спектроскопию утечки энергии. Этот метод позволяет отслеживать переходы между уровнями в двухъямном потенциале с беспрецедентной точностью. Когда частота внешнего микроволнового сигнала совпадала с энергетической щелью между состояниями, наблюдался резкий всплеск вероятности туннелирования. Это стало неопровержимым доказательством того, что объект ведет себя согласно законам квантовой механики, а не классической физики.

Интересно, что ранние попытки наблюдения этого эффекта в 1980-х годах сталкивались с проблемой ложного срабатывания из-за внешних шумов. Современный успех стал возможен благодаря развитию нанотехнологий и криогенной электроники. Сейчас ученые могут создавать контакты с контролируемой прозрачностью, что позволяет настраивать высоту и ширину энергетического барьера буквально поворотом ручки магнитного поля.

От фундаментальной физики к квантовым компьютерам

Значение этого открытия выходит далеко за рамки академического интереса. Системы, демонстрирующие макроскопическое квантовое туннелирование, являются основой для создания сверхпроводниковых кубитов — элементов квантовых компьютеров. В отличие от классических битов, которые могут быть либо 0, либо 1, кубит может находиться в суперпозиции этих состояний. Именно туннелирование между двумя токовыми состояниями в сверхпроводящем кольце позволяет физически реализовать эту суперпозицию. Чем чище и контролируемее процесс туннелирования, тем меньше ошибок возникает при вычислениях.

Современные квантовые процессоры ведущих компаний уже используют различные вариации этого эффекта. Однако проблема декогеренции, когда кубит теряет свои квантовые свойства из-за взаимодействия с окружением, остается главным препятствием. Новые данные о механизмах диссипации при туннелировании позволяют разрабатывать более эффективные схемы защиты кубитов. В частности, понимание роли микроскопических дефектов в изоляторе джозефсоновского контакта ведет к созданию более совершенных материалов.

Мы находимся на пороге инженерной эры квантовой механики. Раньше мы просто наблюдали и восхищались квантовыми эффектами. Теперь же, точно измерив параметры макроскопического квантового туннелирования, мы можем проектировать искусственные атомы с заданными свойствами. Это меняет правила игры в создании масштабируемых квантовых систем, — отмечает ведущий экспериментатор группы.

Практические приложения не ограничиваются вычислениями. Сверхчувствительные магнитометры (СКВИДы), работающие на грани туннельного переключения, уже используются в медицине для магнитоэнцефалографии и в геологоразведке. Улучшение контроля над квантовым туннелированием напрямую повышает их разрешающую способность. Кроме того, исследуются возможности создания квантовых симуляторов, способных моделировать поведение сложных молекул для разработки новых лекарств, что недоступно классическим суперкомпьютерам.

Детальный анализ эксперимента выявил несколько важных нюансов, которые необходимо учитывать при интерпретации результатов. Во-первых, критическим фактором оказалось качество интерфейса между сверхпроводником и изолятором. Даже единичные атомные дефекты в барьере могут создавать подуровни энергии, которые искажают картину туннелирования. Во-вторых, ученые подтвердили теорию о влиянии диссипативного окружения на скорость туннелирования, что ранее было предметом жарких дебатов.

Особый интерес представляет поведение системы в режиме сильной связи с измерительным прибором. В этом случае наблюдается эффект Зенона, при котором частое измерение «замораживает» систему в одном состоянии, препятствуя туннелированию. И наоборот, в режиме слабых измерений удалось проследить за отдельными актами перехода, что открывает путь к квантовой обратной связи и коррекции ошибок. Ниже приведены основные выводы из анализа стабильности системы:

• Время квантовой когерентности в оптимизированной цепи достигло 100 микросекунд, что является рекордным показателем для данного типа устройств.
• Спектроскопические данные подтвердили наличие переходов высших порядков, связанных с макроскопическим квантовым туннелированием через фантомные состояния.
• Уровень шума в системе был снижен до величины, эквивалентной температуре менее 1 милликельвина, благодаря использованию криогенных циркуляторов.
• Флуктуации критического тока контакта не превышали 0.1%, что свидетельствует о высочайшей однородности туннельного барьера.

Исследование также проливает свет на фундаментальную проблему измерения в квантовой механике. Где проходит граница между квантовым микромиром и классическим макромиром? Эксперимент показал, что сверхпроводящая цепь, содержащая порядка 10^10 электронов, ведет себя как единый квантовый объект. Это доказывает, что квантовые законы универсальны, а переход к классической физике обусловлен не размерами системы как таковыми, а ее взаимодействием с окружением.

Дальнейшие шаги исследовательской группы связаны с увеличением сложности квантовых схем. Планируются эксперименты по наблюдению туннелирования в цепочках связанных контактов, где должны проявиться коллективные эффекты, подобные фазовым переходам. Это станет мостом между физикой одиночных кубитов и статистической физикой многих тел. Ученые надеются обнаружить признаки квантового хаоса и, возможно, новые состояния материи, существующие только в искусственных квантовых системах.

С философской точки зрения, мы демонстрируем, что реальность гораздо более размыта, чем нам кажется. Идея о том, что макроскопический объект может находиться в суперпозиции состояний, перестает быть просто интерпретацией. Это становится инженерным ресурсом. Мы учимся использовать странность квантового мира для решения практических задач, — подводит итог руководитель лаборатории.

Потенциальное влияние этой технологии на отрасль информационных технологий трудно переоценить. В отличие от классических транзисторов, которые приближаются к своему физическому пределу миниатюризации, квантовые устройства на основе туннелирования предлагают принципиально иной способ обработки информации. Оптимизация формы импульсов управления, основанная на детальном понимании динамики туннелирования, позволяет выполнять логические операции быстрее и с меньшими энергозатратами. Это особенно актуально для центров обработки данных, стремящихся снизить углеродный след.

В ходе тестирования различных материалов для барьера было обнаружено, что использование гибридных структур сверхпроводник-полупроводник-сверхпроводник открывает новые степени свободы. Прикладывая напряжение к затвору, можно динамически менять прозрачность барьера, а значит, и параметры туннелирования, в течение наносекунд. Это позволяет создавать перестраиваемые квантовые схемы, функциональность которых задается программно, а не аппаратно на этапе изготовления чипа.

Несмотря на впечатляющие результаты, исследователи признают, что до полноценного квантового превосходства еще далеко. Основные усилия сейчас направлены на борьбу с низкочастотным шумом, природа которого до конца не ясна. Предполагается, что он вызван ансамблем двухуровневых систем в аморфном диэлектрике, которые взаимодействуют с квантовой цепью. Понимание микроскопической природы этого шума — ключ к созданию отказоустойчивых квантовых процессоров. Следующие эксперименты будут нацелены на спектроскопию отдельных дефектов с целью их пассивации или, наоборот, использования в качестве квантовой памяти.

• Достигнута рекордная добротность резонаторов, что минимизирует потери энергии при считывании состояния системы.
• Разработана методика быстрой (менее 10 нс) перестройки магнитного потока через контур для управления барьером в реальном времени.
• Обнаружено, что при определенных условиях шум может играть конструктивную роль, способствуя стохастическому резонансу и усиливая сигнал туннелирования.
• Создана теоретическая модель, учитывающая нелинейные поправки к стандартной модели Калдейры-Леггетта для описания диссипации.

Результаты этой работы заставляют переосмыслить само понятие «наблюдения» в физике. Исследователям удалось реализовать схему квантовой томографии процесса, то есть восстановить волновую функцию системы в процессе туннелирования. Оказалось, что траектория перехода в фазовом пространстве не является непрерывной, а состоит из серии квантовых скачков, что прекрасно согласуется с современными представлениями квантовой траекторной теории. Эта визуализация невидимого мира квантовых скачков макроскопического объекта является одним из самых ярких достижений современной экспериментальной физики.