當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月7日，瑞典皇家科學(xué)院決定將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予科學(xué)家約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）、約翰·M·馬蒂尼斯（John M. Martinis），以表彰他們“發(fā)現(xiàn)電路中的宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化”。
三人通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明，量子世界的奇特特性可在宏觀系統(tǒng)中具象化。他們?cè)O(shè)計(jì)的超導(dǎo)電路系統(tǒng)能從一種狀態(tài)隧穿到另一種狀態(tài)，仿佛直接穿過(guò)一堵墻。他們還證實(shí)，該系統(tǒng)會(huì)以特定大小的能量“劑量”吸收和釋放能量，與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)完全一致。三位獲獎(jiǎng)?wù)邔⑵椒?100萬(wàn)瑞典克朗（約合836萬(wàn)元人民幣）獎(jiǎng)金。
計(jì)算機(jī)微芯片中的晶體管是我們身邊成熟的量子技術(shù)的一個(gè)例子。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為開發(fā)下一代量子技術(shù)提供了機(jī)遇，包括量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席奧勒·埃里克森表示，“能夠慶祝百年量子力學(xué)不斷帶來(lái)新的驚喜，真是太棒了。它也意義非凡，因?yàn)榱孔恿W(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)?！?/p>
上海交通大學(xué)李政道研究所助理研究員應(yīng)江華對(duì)澎湃科技表示，量子計(jì)算被視為未來(lái)科技革命的核心領(lǐng)域之一，三位獲獎(jiǎng)?wù)叩呢暙I(xiàn)堪稱超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展的重要開端。
在宏觀尺度上觀測(cè)到量子隧穿效應(yīng)
1968年在英國(guó)劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位后，克拉克移居美國(guó)，并在美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校組建了自己的研究團(tuán)隊(duì)，專注于利用超導(dǎo)體和“約瑟夫森結(jié)”（Josephson junction，超導(dǎo)隧道結(jié)）探索各類物理現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代中期，德沃雷特在法國(guó)巴黎獲得博士學(xué)位后，以博士后身份加入克拉克的研究團(tuán)隊(duì)。當(dāng)時(shí)，博士生馬蒂尼斯也在該團(tuán)隊(duì)中。三人共同承擔(dān)起“證明宏觀量子隧穿效應(yīng)”的挑戰(zhàn)。
量子力學(xué)描述的是單粒子尺度下顯著的特性。在量子物理中，這種尺寸遠(yuǎn)小于光學(xué)顯微鏡的觀測(cè)極限，這與“宏觀現(xiàn)象”形成鮮明對(duì)比。宏觀現(xiàn)象由大量粒子構(gòu)成，例如日常生活中的一顆球由數(shù)量龐大的分子組成，不會(huì)表現(xiàn)出任何量子力學(xué)效應(yīng)。球每次撞向墻面都會(huì)反彈回來(lái)，但在微觀世界中，單個(gè)粒子有時(shí)會(huì)直接穿過(guò)等效的“壁壘”，出現(xiàn)在另一側(cè)，這種量子力學(xué)現(xiàn)象就被稱為“隧穿效應(yīng)”。
今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的實(shí)驗(yàn)證明了隧穿效應(yīng)可在包含大量粒子的宏觀尺度上被觀測(cè)到。1984年至1985年，克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯在加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開展了一系列實(shí)驗(yàn)。他們搭建了包含兩個(gè)超導(dǎo)體的電路，并用一層完全不導(dǎo)電的薄材料將兩個(gè)超導(dǎo)體隔開。他們成功優(yōu)化了電路并測(cè)量了其所有特性，從而深入理解了電路的工作原理。
在實(shí)驗(yàn)中，他們成功控制并觀測(cè)到一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子會(huì)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，仿佛它們是一個(gè)充滿整個(gè)電路的“單粒子”。這種類粒子系統(tǒng)會(huì)被困在“零電壓電流態(tài)”中——在該狀態(tài)下，電流無(wú)需電壓即可流動(dòng)，且系統(tǒng)沒(méi)有足夠能量脫離這一狀態(tài)。而在實(shí)驗(yàn)里，該系統(tǒng)通過(guò)隧穿效應(yīng)脫離零電壓態(tài)、產(chǎn)生電壓，展現(xiàn)出了量子特性。
三位獲獎(jiǎng)?wù)哌€證實(shí)該系統(tǒng)具有“量子化”特征，也就是它只會(huì)以特定的能量值吸收或釋放能量。他們向零電壓態(tài)中引入了不同波長(zhǎng)的微波，發(fā)現(xiàn)部分微波被系統(tǒng)吸收，且系統(tǒng)隨后會(huì)躍遷到更高的能級(jí)。這一結(jié)果表明：系統(tǒng)能量越高，零電壓態(tài)的持續(xù)時(shí)間就越短，這與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)完全一致，就像被壁壘困住的微觀粒子的行為一樣。
為開發(fā)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造可能
以往在宏觀尺度上被觀測(cè)到的其他量子效應(yīng)，大多由大量“微觀單元”及其各自的量子特性共同構(gòu)成 。但此次實(shí)驗(yàn)從“本身具有宏觀屬性的狀態(tài)”中，直接產(chǎn)生了宏觀效應(yīng)，即可測(cè)量的電壓。
安東尼·萊格特（Anthony Leggett）等理論家將三位獲獎(jiǎng)?wù)叩摹昂暧^量子系統(tǒng)”與埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。在“薛定諤的貓”實(shí)驗(yàn)中，若不打開盒子觀察，貓將處于“既活又死”的疊加態(tài)。薛定諤提出這一思想實(shí)驗(yàn)，旨在凸顯這種狀態(tài)的“荒謬性”，因?yàn)榱孔恿W(xué)的特殊特性在宏觀尺度上往往會(huì)消失，實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法觀測(cè)到一只貓的整體量子特性。萊格特認(rèn)為，克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯的一系列實(shí)驗(yàn)表明：存在“大量粒子協(xié)同運(yùn)動(dòng)、且完全符合量子力學(xué)預(yù)測(cè)”的現(xiàn)象。由于該實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是“適用于整個(gè)系統(tǒng)的量子力學(xué)特性”，對(duì)量子物理學(xué)家而言，它與薛定諤設(shè)想的“量子貓”已十分接近。
這類宏觀量子態(tài)為利用粒子微觀世界的現(xiàn)象開展實(shí)驗(yàn)提供了新可能。它可被視為一種“大規(guī)模人工原子”，這種“原子”帶有導(dǎo)線和接口，可接入新的實(shí)驗(yàn)裝置或應(yīng)用于新型量子技術(shù)。例如，“人工原子”可用于模擬其他量子系統(tǒng)，幫助研究者理解這些系統(tǒng)的特性。
目前，超導(dǎo)電路也是構(gòu)建未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的探索方向之一。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為開發(fā)包括量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器在內(nèi)的下一代量子技術(shù)創(chuàng)造了可能。馬蒂尼斯后續(xù)開展的量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)就是利用了能量量子化的特性。他將具有量子化狀態(tài)的電路用作“信息載體單元”（即 量子比特），其中最低能級(jí)和相鄰的高能級(jí)分別對(duì)應(yīng)0和1。
應(yīng)江華表示，疊加和糾纏是量子力學(xué)最基本的兩個(gè)特性，正是因?yàn)檫@兩個(gè)特性才使得算力能夠隨著量子比特?cái)?shù)目的增加而指數(shù)級(jí)增加，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的優(yōu)越性。理論上，一旦突破49個(gè)量子比特，那么算力可以超過(guò)目前最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
“馬蒂尼斯最重要的貢獻(xiàn)在于證明超導(dǎo)量子計(jì)算的優(yōu)越性。”應(yīng)江華表示，馬蒂尼斯是超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域的標(biāo)志性人物，他曾是谷歌超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者，在工程化和量子計(jì)算的落地應(yīng)用上有更為突出的貢獻(xiàn)。
諾貝爾獎(jiǎng)傳統(tǒng)上多授予“從0到1”的原創(chuàng)性科研成果，但在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域，馬蒂尼斯的工作并非完全是從“0到1”的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而更多是從“1到99”的技術(shù)推進(jìn)與工程落地階段。應(yīng)江華表示，諾獎(jiǎng)也開始更多關(guān)注那些在實(shí)際科學(xué)成果轉(zhuǎn)化、技術(shù)應(yīng)用落地中發(fā)揮核心作用的研究者。“一些在工程上做出很大的突破、在成果轉(zhuǎn)化或量子計(jì)算落地應(yīng)用中做出很大貢獻(xiàn)的科學(xué)家也有可能拿諾獎(jiǎng)。”
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