Квантовые частицы способны проходить сквозь препятствия, словно мяч, внезапно оказывающийся внутри холма и вылетающий с другой стороны. Этот туннельный эффект — прямое следствие волновой природы материи — объяснил Георгий Гамов, разгадывая механизм альфа-распада: как частицы покидают атомное ядро, преодолевая потенциальный барьер. Новое исследование показывает: если этот «холм» дрожит, беспорядочно меняя высоту из-за внешних колебаний, частицам пройти становится труднее. Шум вносит энтропийный хаос — он рассеивает когерентное движение волны частицы, разрушая интерференцию, необходимую для туннелирования, и мяч чаще отскакивает обратно.

Особенно ярко подавление туннелирования проявляется в графене — двумерном листе углерода толщиной в один атом. Там электроны ведут себя как безмассовые релятивистские частицы, мчащиеся почти со скоростью света. Обычно они игнорируют любые потенциальные барьеры благодаря эффекту Клейна — квантово-релятивистскому феномену, при котором частица проходит сквозь препятствие без отражения, — но дрожащий барьер ломает эту неуязвимость. Даже атака в лоб, когда электрон падает на барьер перпендикулярно, заставляет его отражаться. Причина в том, что колебания делают внутренность «холма» нестабильной: фаза волны частицы сбивается, и вероятность туннелирования резко падает. Исследователи выяснили это, анализируя решения уравнения Дирака для графена с добавлением стохастического шума в потенциал барьера.

Такой шумовой затвор — управляемое подавление туннелирования с помощью контролируемых колебаний — открывает путь к точным квантовым переключателям для будущих компьютеров. В них одиночными электронами можно будет управлять без сверхсложных систем охлаждения или магнитных ловушек. Как заметил Джон Прескилл, контроль над единичными квантовыми объектами — основа вычислительного скачка к практичным квантовым технологиям. Неожиданным образом помеха, обычно ассоциируемая с разрушением порядка, становится инструментом упорядочивания: шум позволяет заблокировать нежелательное туннелирование и тем самым задать четкое состояние переключателя.