В последнее время Королевская академия наук Швеции присудила Нобелевскую премию по физике 2025 года трем учёным, внесшим вклад в… Макроскопические квантовые явления Учёные, внесшие новаторский вклад в соответствующую область. Благодаря продуманному экспериментальному дизайну им удалось чётко наблюдать в искусственно созданных макроскопических (по сравнению с отдельными атомами) системах… Квантовое туннелирование И Квантование энергии Исключительно чистые квантовые эффекты. Это эпохальное достижение не только потрясло физическое сообщество в теоретическом плане, но, что ещё важнее, заложило прочную основу на тернистом пути к практическому применению квантовых вычислений и квантовых сенсоров.

От фундаментального открытия в области физики, достойного Нобелевской премии, до технологических приложений, способных изменить мир — между этими двумя полюсами лежит огромная и глубокая пропасть. Заполнение этой пропасти требует не только гениальности теоретических физиков, но и проверяет пределы возможностей материаловедов, электронных инженеров и даже всей высокоточной производственной отрасли. В данной статье, исходя из этого подхода, мы исследуем физическое содержание макроскопических квантовых явлений и показываем, как современные передовые технологии микро‑ и нанообработки и контроля становятся незаменимыми стальными балками и заклёпками, формирующими «квантовый мост».

I. Физическая революция, связанная с макроскопическими квантовыми явлениями

С момента своего появления квантовая механика славится своими «странностями» и противоречащими здравому смыслу свойствами. Такие явления, как возможность нахождения одной частицы одновременно в нескольких точках (суперпозиция состояний) или способность «проходить сквозь стены» (квантовое туннелирование), совершенно не встречаются в нашем повседневном макроскопическом опыте. Долгое время в физическом сообществе существовало общепринятое мнение, что квантовые эффекты надёжно удерживаются в «клетке» микрочастиц — атомов, электронов и прочих элементарных объектов. Однако при увеличении масштаба системы взаимодействие с внешней средой — например, тепловые флуктуации или помехи со стороны электромагнитных полей — неизбежно приводит к… Декогеренция », в результате чего хрупкое квантовое состояние мгновенно коллапсирует, а поведение системы возвращается в привычную нам область классической физики.

Рис. В случае классического рассеяния окружающих фотонов на объект‑мишень в среднем движение последнего не изменяется под действием рассеянных фотонов. В квантовом же рассеянии рассеянные фотоны взаимодействуют с объектом‑мишенью, находящимся в состоянии суперпозиции, что приводит к возникновению квантовой запутанности и уменьшению фазовой когерентности объекта‑мишени до уровня всей системы, вследствие чего интерференционная картина полностью исчезает.

Нобелевские лауреаты этого года смело бросили вызов этому утверждению. В центре их исследований — разработка и создание особых физических систем, которые, как правило, основаны на… Сверхпроводящая схема «Искусственные атомы». Такие системы по своим физическим размерам значительно превосходят отдельные атомы — их размер может достигать микрометров или даже миллиметров, поэтому их называют «макроскопическими»; однако благодаря работе в сверхнизкотемпературной среде, близкой к абсолютному нулю, и использованию высокоточных методов электромагнитной экранировки удается максимально исключить влияние внешних шумов.

В столь предельно «очищенной» среде им удалось совершить две крупные победы:

Макроскопическое квантовое туннелирование:   Они наблюдали, что магнитный поток в сверхпроводящем кольце, разделённом барьером — условно представляющим собой энергетический «холм» — способен квантовым образом целиком «преодолевать» этот барьер, туннелируя из одного состояния в другое. Это подобно тому, как макроскопический маятник не пересекает вершину, а сразу «телепортируется» на другую сторону.
Квантование энергии:   Им удалось точно измерить, что энергия этой макроскопической электрической системы изменяется не непрерывно, а принимает дискретные ступени, подобные атомным уровням энергии — то есть происходит квантование энергии. Это означает, что вся цепь в целом ведёт себя в соответствии с законами квантовой механики.

Рис. На этом изображении показано экспериментальное явление: в начале эксперимента напряжение отсутствует, что соответствует положению рычага, закрытому препятствием. В классической физике такое состояние сохранялось бы неизменным. Однако квантовая механика допускает «туннелирование» напряжения через барьер, в результате чего напряжение внезапно появляется; это явление называется макроскопическим квантовым туннелированием.

Рис. В рамках квантовой механики энергия частиц не может изменяться непрерывно. Это подобно тому, как при подъёме по лестнице нельзя остановиться между двумя ступенями — необходимо полностью перейти с одной ступени на другую. То же самое относится и к энергии частиц: она может принимать лишь определённые дискретные уровни, а поглощаемая или испускаемая энергия также имеет конкретные, дискретные значения; именно это и называется квантованием энергии.

Революционное значение этой работы заключается в том, что она убедительно демонстрирует: квантовая механика — это не прерогатива лишь микромира; при условии эффективного подавления декогеренции квантовые законы вполне применимы к тщательно сконструированным искусственным макроскопическим системам. Этот вывод обеспечивает фундаментальную физическую обоснованность проектирования и реализации базового элемента квантового компьютера — кубита (Qubit). Практический кубит по своей сути представляет собой макроскопическую квантовую систему, способную стабильно сохранять квантовое состояние и поддающуюся точному управлению и считыванию.

II. Инженерные задачи по созданию квантового мира

Прорыв в физических принципах — это лишь первый шаг на пути длиной в тысячи ли. Как превратить теоретический план в стабильные, надёжные и масштабируемые физические устройства — вот перед инженерами стоит огромная задача. Взять, например, сегодняшний доминирующий подход к сверхпроводящим квантовым вычислениям: его ключевой компонент — сверхпроводящий кубит (например… Трансмонный кубит ), то есть это LC‑резонансная схема, изготовленная на кремниевой или сапфировой подложке с использованием микро‑ и нанообработки.

Рис. На этом изображении представлен эксперимент, посвящённый сверхпроводящим цепям. В ходе эксперимента использовалась сверхпроводящая цепь, размещённая на микросхеме размером примерно один сантиметр. Ранее такие явления, как туннельный эффект и квантование энергии, обычно изучались в системах, состоящих всего из нескольких частиц. В данном эксперименте эти квантовые явления проявились в макроскопической квантовой системе. Эта система включает миллиарды пар Купера, которые заполняют весь сверхпроводник на микросхеме. Таким образом, данный эксперимент позволил перенести квантовые эффекты с микро‑ до макроскопического масштаба.

Эта схема кажется простой, однако её характеристики предъявляют почти строгие требования к точности изготовления. В типичном квантовом бите Трансмона ключевым элементом является « Джозефсоновский переход Размеры таких структур обычно составляют порядка 100 нанометров, а размеры, межэлектродные зазоры и степень шероховатости краёв конденсаторных электродов, индуктивных катушек и других элементов резонансной полости должны точно контролироваться на наноуровне. Даже самая незначительная геометрическая погрешность может привести к смещению частоты кубита, сокращению времени когерентности или даже к полному выходу устройства из строя.

Рис. (a) Обычно джозефсоновский переход состоит из двух сверхпроводящих проводников, разделённых изолирующим туннельным барьером. Через этот переход может протекать ток I, а напряжение V на его концах можно измерять. (b) Характеристики этого перехода определяются его критическим током I₀ и ёмкостью C. Сопротивление R моделирует все диссипативные процессы в системе и обычно зависит от частоты. Для теоретического предсказания скорости МКТ необходимо точно охарактеризовать это демпфирующее сопротивление.

Это поднимает ключевой вопрос: как нам, словно мастера микроскульптуры, с высокой точностью «вырезать» на огромном полупроводниковом кристалле эти крошечные структуры, несущие надежды будущего вычислительной техники? Ответ кроется в комплексе чрезвычайно сложных технологий микро‑ и наноизготовления — именно они служат мостом между фундаментальной физикой и инженерными приложениями.

III. Ключевая роль микро- и нанообработки и контроля

Процесс производства квантовых устройств представляет собой сложную цепочку, включающую множество этапов и технологических операций; при этом такие операции, как литография, травление и осаждение тонких пленок, играют ключевую роль. В этом процессе две категории инструментов выполняют важнейшие функции — «резца» и «точного глаза».

1. Рука гравёра — электронно-лучевая литография и литография без маски

Технология фотолитографии, широко применяемая в традиционном производстве микросхем, хотя и обладает высокой эффективностью, часто оказывается недостаточно мощной при работе с крайне специфическими, непериодическими структурами и ультратонкими линиями, необходимыми для квантовых устройств. В таких случаях неизбежным становится выбор более гибкой и высокоточной технологии фотолитографии.

Электронно-лучевая литография: Это можно рассматривать как «3D‑ручку для наномира». С помощью компьютерного управления и чрезвычайно сфокусированного электронного пучка она, словно невидимая ручка, непосредственно «рисует» на поверхности подложки, покрытой фоточувствительным материалом (фотопроявителем), поэтапно сканируя заранее заданный рисунок схемы кубитов. Благодаря крайне короткой длине волны электронного пучка и его лёгкости в точной фокусировке технология EBL позволяет достигать разрешения менее 10 нанометров, что делает её предпочтительным методом для создания ключевых наноструктур, таких как джозефсоновские контакты. Передовые системы электронно‑лучевой литографии, предлагаемые, например, компанией Zeyou Technology, являются основными инструментами, преобразующими проекты квантовых схем, разработанные физиками, в их физическую реализацию; точность стыковки записываемых участков и стабильность самого электронного пучка напрямую определяют качество и производительность конечного квантового чипа.
Безмасочная литография: На этапах разработки и апробации прототипов квантовых устройств схемотехническое проектирование требует частой итерации. При традиционной фотолитографии с использованием масок каждое изменение проекта сопровождается изготовлением дорогостоящих и трудоёмких масок. Технология безмасочной фотолитографии, используя цифровые микрозеркальные устройства (DMD) или метод прямой лазерной записи, позволяет напрямую проецировать графические данные из компьютера на подложку, исключая необходимость в масках. Это обеспечивает значительную гибкость и экономическую эффективность при быстрой итерации и оптимизации квантовых устройств.

2. Точный глаз — сканирующий электронный микроскоп и высокоточный шагомер

После завершения «скульптурирования» как гарантировать, что готовое изделие будет в точности соответствовать проектному чертежу? Для этого необходимо прибегнуть к «точному взгляду», обеспечивающему контроль качества и морфологическую характеристику.

Сканирующий электронный микроскоп: Когда размеры обрабатываемых структур достигают нанометрового масштаба, оптические микроскопы уже оказываются бессильны. Сканирующий электронный микроскоп (SEM) осуществляет сканирование поверхности образца пучком электронов и получает высокоразрешённые изображения его морфологии, анализируя сигналы вторичных электронов, обратнорассеянных электронов и других субстратов. В производстве квантовых устройств инженерам приходится использовать такие высокотехнологичные приборы, как полево‑эмиссионный сканирующий электронный микроскоп, чтобы проверять целостность резистных рисунков, вертикальность боковых стенок после травления и надёжность соединений в джозефсоновских контактах. Эти микроскопические изображения служат наиболее наглядным и эффективным основанием для оценки успешности технологического процесса. Без точного «осмотра» с помощью SEM весь производственный цикл превращается в работу вслепую — качество невозможно гарантировать.
Ступенчатый прибор: Помимо двумерной плоской морфологии, характеристики квантовых устройств также крайне чувствительны к размерам в вертикальном направлении — таким как толщина тонких пленок и глубина травления. Например, равномерность толщины металлической пленки, из которой формируется сверхпроводящий резонатор, напрямую влияет на частотную однородность кубитов. Высокоточный ступенчатый профилометр, сканируя поверхность образца с помощью чрезвычайно чувствительного зонда, способен с субнанометровым разрешением по вертикали точно измерять рельеф поверхности и высоту ступеней. Он предоставляет инженерам ключевые данные о размерах по оси Z, дополняя информацию по осям X и Y, полученную с помощью СЭМ, и вместе они составляют полноценный «медицинский отчёт» о трёхмерной морфологии квантового устройства.

От теоретических предсказаний и экспериментальных подтверждений макроскопических квантовых явлений, через проектирование и оптимизацию кубитов, до обработки и контроля с использованием таких высокоточных методов, как электронно-лучевая литография и сканирующая электронная микроскопия — в итоге формируется масштабируемый чип квантовых вычислений. Это типичный пример спирального развития, при котором научные открытия порождают технологические потребности, а технический прогресс, в свою очередь, питает дальнейшие научные исследования.

Нобелевская премия озарила дверь, ведущую из квантового мира в макромир. А производители высокоточных приборов — такие как компания «ZEPTOOLS» — в тишине куют тот единственный ключ, который необходим для того, чтобы открыть эту дверь. Для инженеров и молодых студентов нашего времени понимание и освоение этих передовых технологий производства и контроля — это не просто приобретение профессионального мастерства; это ещё и билет на участие в создании будущего квантового мира.