Фундаментальные проблемы квантовых технологий и решения нобелевских лауреатов по физике 2025 года
В среду, 24 декабря, в Академии наук прошло расширенное заседание Научного совета РАН «Квантовые технологии» под председательством президента РАН академика Геннадия Красникова. Учёные обсудили фундаментальные проблемы квантовых технологий, фокусируясь на макроскопических квантовых эффектах в сверхпроводниковых электрических схемах. Мероприятие, приуроченное к вручению Нобелевской премии по физике 2025 года, собрало ведущих специалистов в области сверхпроводимости, квантовых вычислений и метрологии.
Открывая заседание, Геннадий Красников отметил: «Наше обсуждение навеяно в том числе Нобелевской премией по физике, присуждённой Джону Кларку, Мишелю Деворе и Джону Мартинису. Их работы напрямую связаны с квантовыми вычислениями и демонстрацией квантового превосходства».
Напомним, что лауреаты удостоены награды «за открытие макроскопического квантово-механического туннелирования и квантования энергии в электрической цепи». В этой связи профессор Университета Стоуни-Брук Дмитрий Аверин в своём выступлении упомянул так называемый «Эффект Джозефсона» — квантовое явление, которое заключается в протекании сверхпроводящего тока через слабую связь двух сверхпроводников. Довольно активно исследуются различные кубиты, состоящие из джозефсоновских переходов для квантовых компьютеров. «Вот такая простая структура — два сверхпроводника, разделённые слоем изолятора», — пояснил Дмитрий Аверин. Учёный подчеркнул, что квантование фазы в джозефсоновских переходах — не абстракция, а физическая реальность, ведущая к наблюдаемым эффектам, таким как квантовое туннелирование — явление из квантовой механики, когда частица проходит сквозь энергетический барьер, который, согласно классической физике, ей не под силу преодолеть из-за недостатка энергии.
Подробно разобрал значение Нобелевской премии 2025 года профессор Физического института Технологического университета Карлсруэ (Германия), заведующий лабораторией сверхпроводящих материалов НИТУ МИСИС Алексей Устинов. Он напомнил, что впервые квантовое туннелирование было описано Георгием Гамовым для объяснения альфа-распада радиоактивных ядер и показало, как частицы могут проходить сквозь энергетические барьеры, которые классически не могли преодолеть. Но нобелевские лауреаты продемонстрировали этот эффект на макроскопическом уровне — в электрической цепи. «Сверхпроводник нужен, чтобы диссипация была малой, а эффект Джозефсона — чтобы потенциал был нелинейным, — пояснил Алексей Устинов. — Это были первые эксперименты, где убедительно показано, что электрические цепи с джозефсоновскими переходами могут быть использованы как квантовые искусственные системы, „искусственные атомы“». Он также рассказал о современных работах своей группы по созданию кубитов нового типа — флаксониумов, обладающих высокой нелинейностью и позволяющих выполнять высокоточные операции.
Углубился в тему джозефсоновских переходов в квантовом пределе заведующий лабораторией сверхпроводимости Института физики твёрдого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН Валерий Рязанов. Он провёл исторический экскурс, отметив важность работ советских физиков. «Ещё в 1968 году Иванченко и Зильберман обратили внимание, что при малой ёмкости в гамильтониане возникает член кулоновской энергии, приводящий к квантовым флуктуациям (случайным, кратковременным колебаниям энергии), — напомнил он. — Но тогда на эту работу мало обратили внимания». Учёный подробно разобрал эксперименты нобелевских лауреатов, отметив их ключевые преимущества: использование СВЧ-сигналов для управляемого перевода между уровнями и точное измерение параметров для безупречного сравнения с теорией. «Ими были проведены специальные эксперименты, чтобы вытащить все параметры, которые нужны для сравнения с теорией», — сказал он.
Главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН член-корреспондент РАН Юрий Махлин посвятил свой доклад поддержанию макроскопической квантовой когерентности в джозефсоновских кубитах. Он связал современные исследования с фундаментальными вопросами о возможности квантового поведения на макроуровне. «История развития сверхпроводниковых кубитов — это история увеличения времени когерентности, — констатировал докладчик. — Но любое конечное время жизни кубита накладывает ограничения на объёмы вычислений». Учёный также рассказал о перспективном направлении — топологических кубитах на основе майорановских состояний в джозефсоновских контактах. «Они реализуют защиту от ошибок на аппаратном уровне, не требуя активного вмешательства, — пояснил он. — Их точность экспоненциально растёт с расстоянием между вихрями или с понижением температуры. Это путь к созданию идеально когерентных логических кубитов».
Профессор Сколтеха, заведующий лабораторией искусственных квантовых систем Московского физико-технического института Олег Астафьев выступил с докладом «Квантовая оптика и квантовое проскальзывание фазы в сверхпроводниковых системах». Он расширил тему обсуждения, отметив, что искусственные квантовые системы интересны не только для вычислений. «Сегодня мы можем говорить о „квантовой оптике на чипе“, — заявил учёный. — А также о таких новых направлениях, как квантовая акустика». Он подробно остановился на эффекте когерентного квантового проскальзывания фазы, который имеет большие перспективы, например, для создания новых стандартов в метрологии.
Учёный отметил связь между фундаментальными открытиями 1980-х годов и современным бумом в области квантовых процессоров. Он подчеркнул, что присуждение Нобелевской премии именно сейчас во многом связано с взрывным ростом инвестиций и вниманием к квантовым вычислениям. «Квантовые процессоры пока не демонстрируют практически полезный выход, но тем не менее инвестирование есть», — констатировал Олег Астафьев.
Завершил научную часть заседания генеральный директор ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» Антон Пронин с докладом о работах по созданию квантового стандарта массы (киббл-весы), подчеркнув важность этого направления для российской метрологии. Оно подразумевает переход от традиционного эталона килограмма к новому, основанному на фундаментальных константах. Это является частью глобальной стратегии по пересмотру Международной системы единиц.
