Сегодня объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике за этот год. В год 100-летия квантовой механики премия присуждена тоже за открытия в квантовой физике - а именно, за макроскопический туннельный эффект.

Подробно об этом открытии расскажут научно-популярные сайты и каналы, ну а мы давайте рассмотрим его через призму квантовых вычислений. В некотором смысле это премия за сверхпроводящий кубит, хотя, конечно, само открытие гораздо более широкое, интересное именно как физическое явление безотносительно возможных технологических приложений. Но один из лауреатов - Джон Мартинис - возглавлял группу в Гугле по сверхпроводящим квантовым компьютерам.

Во-первых, что за туннельный эффект. Представьте себе шарик, катящийся по плоской поверхности, которому нужно преодолеть кочку, но у него не хватает для этого энергии. За кочкой дорога снова продолжается на том же по высоте уровне, что и прежде, но вот именно въехать в кочку, чтобы потом снова спуститься, шарик не может. Он вкатывается в кочку на какую-то высоту, а затем скатывается назад и дальше катится уже обратно. А квантовая частица - может. С некоторой вероятностью она как будто "проходит под" кочкой (раз "взобраться на" не хватает энергии) и продолжает своё движение вперёд.

Этот эффект для квантовых частиц давно известен, им, в частности, объясняется радиоактивный распад, применяется он и в электронике. Но важный вопрос - а могут ли проявлять эти квантовые эффекты не отдельные квантовые частицы, как, например, электроны, а макроскопические объекты - большие совокупности частиц.

Ещё в 1961 году 22-летний аспирант Кембриджского университета Брайан Джозефсон (B. D. Josephson) предсказал такой эффект в сверхпроводниках: туннелирование в сверхпроводнике множества так называемых куперовских пар (пар электронов, но не по отдельности, а именно всем коллективом, "когерентный" эффект) через слой диэлектрика. В 1963 году эффект был экспериментально подтверждён Филиппом Андерсоном (P. W. Anderson) и Джоном Роуэллом (J.M. Rowell) из Bell Labs.

Картинка отсюда: https://arxiv.org/abs/2103.01225

Сегодняшние лауреаты сделали дальнейшее открытие: продемонстрировали, что макроскопический сверхпроводящий электрический контур (100 микрон, или 0,1 мм, т.е. всего в 10 раз меньше миллиметра), включающий джозефсоновский контакт (тот самый тонкий слой диэлектрика толщиной порядка нанометра или десятков нанометров) ведёт себя как одна большая квантовая частица с дискретным энергетическим спектром. Т.е. энергия тока в этом контуре может принимать не любые значения, а только значения из определенного (дискретного) набора.

На фото - регулируемый (tunabe) так называемый трансмонный кубит (разновидность сверхпроводящего кубита), отсюда:
https://arxiv.org/abs/2106.11352

О чем именно идет речь и почему это важно для квантовых вычислений. На последних классах школы и особенно на физических и технических специальностях в институтах/университетах проходят простейший колебательный электрический контур: картинка вверху слева. Он состоит из конденсатора и катушки индуктивности. На двух полюсах конденсатора скапливается заряд, на одном полюсе положительный, на другом - отрицательный. Не могучи преодолеть слой диэлектрика, заряды идут друг к другу в обратном направлении по проводу, но катушка на их пути за счёт электромагнитной индукции создает ток в противоположном направлении, которое обратно скапливает заряды на конденсаторе. Возникают колебания, переменный ток. В обычной схеме он постепенно затухает из-за сопротивления проводника (провода). Однако сверхпроводник не имеет сопротивления и поэтому колебания могут продолжаться до бесконечности.

А эта картинка отсюда: https://arxiv.org/abs/1904.06560

Так вот энергия связана с амплитудой этих колебаний, максимальным током. Вот именно она не какая угодно, а из дискретного набора (картинка слева внизу). То есть весь контур ведёт себя, как один большой атом с дискретными уровнями энергии.

Проблема для квантовых вычислений тут следующая. Из квантовой физики так получается, что расстояния между каждыми соседними уровнями энергии получаются абсолютно одинаковыми - постоянная Планка умножить на частоту колебаний (которая зависит от индуктивности катушки L и электроёмкости конденсатора C, т.е. фиксирована). Это так называемый "квантовый гармонический осциллятор" (на рисунке стоит аббревиатура QHO - "quantum harmonic oscillator") - относительно простая модель, которую проходят студенты на 3 курсе.

Проблема в чем? Как мы это используем для квантовых вычислений? Самый нижний уровень энергии ("основное состояние") пусть соответствует значению бита "0", а следующий уровень ("первое возбуждённое состояние") - значению бита "1". Но может быть и их суперпозиция, это же квантовая "частица". А остальные уровни нам не нужны, т.е. если колебания неконтролируемо перейдут на более высокие уровни, то это приведёт к вычислительной ошибке.

А как мы переводим, скажем, атом из одного уровня на другой? Из школы мы знаем: можно посветить на него светом, определенной частоты. Атом может поглотить фотон определенной энергии и перескочить вверх на то же количество энергии, если там находится уровень. Если не находится, то такие фотоны атом "не видит". Так же и здесь, только здесь мы не светим фотонами, а подводим микроволновый импульс по проводу (частота колебаний сверхпроводникового контура как соответствует микроволновому спектру - длина волны от 1 мм до 1 м).

Вот на этой картинке (оттуда же, откуда и фото трансмона) "qubit drive" - это как раз проводочек управления, тогда как справа - система по считыванию состояния кубита ("0" или "1").