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2025物理諾獎：宏觀尺度觀測量子隧穿效應，系超導量子計算領域的重要開端

瑞典皇家科學院10月7日宣布，三名科學家因在量子力學領域的貢獻獲2025年諾貝爾物理學獎。這是10月7日在瑞典斯德哥爾摩拍攝的2025年諾貝爾物理學獎公布現場。 新華社記者 彭子洋 攝

當地時間10月7日，瑞典皇家科學院決定將2025年諾貝爾物理學獎授予科學家約翰·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“發現電路中的宏觀量子力學隧道效應和能量量子化”。

三人通過一系列實驗證明，量子世界的奇特特性可在宏觀系統中具象化。他們設計的超導電路系統能從一種狀態隧穿到另一種狀態，仿佛直接穿過一堵墻。他們還證實，該系統會以特定大小的能量“劑量”吸收和釋放能量，與量子力學的預測完全一致。三位獲獎者將平分1100萬瑞典克朗（約合836萬元人民幣）獎金。

計算機微芯片中的晶體管是我們身邊成熟的量子技術的一個例子。今年的諾貝爾物理學獎為開發下一代量子技術提供了機遇，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器。諾貝爾物理學獎委員會主席奧勒·埃里克森表示，“能夠慶祝百年量子力學不斷帶來新的驚喜，真是太棒了。它也意義非凡，因為量子力學是所有數字技術的基礎。”

上海交通大學李政道研究所助理研究員應江華對澎湃科技表示，量子計算被視為未來科技革命的核心領域之一，三位獲獎者的貢獻堪稱超導量子計算領域發展的重要開端。

在宏觀尺度上觀測到量子隧穿效應

1968年在英國劍橋大學獲得博士學位后，克拉克移居美國，并在美國加利福尼亞大學伯克利分校組建了自己的研究團隊，專注于利用超導體和“約瑟夫森結”（Josephson junction，超導隧道結）探索各類物理現象。20世紀80年代中期，德沃雷特在法國巴黎獲得博士學位后，以博士后身份加入克拉克的研究團隊。當時，博士生馬蒂尼斯也在該團隊中。三人共同承擔起“證明宏觀量子隧穿效應”的挑戰。

量子力學描述的是單粒子尺度下顯著的特性。在量子物理中，這種尺寸遠小于光學顯微鏡的觀測極限，這與“宏觀現象”形成鮮明對比。宏觀現象由大量粒子構成，例如日常生活中的一顆球由數量龐大的分子組成，不會表現出任何量子力學效應。球每次撞向墻面都會反彈回來，但在微觀世界中，單個粒子有時會直接穿過等效的“壁壘”，出現在另一側，這種量子力學現象就被稱為“隧穿效應”。

今年諾貝爾物理學獎表彰的實驗證明了隧穿效應可在包含大量粒子的宏觀尺度上被觀測到。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伯克利分校開展了一系列實驗。他們搭建了包含兩個超導體的電路，并用一層完全不導電的薄材料將兩個超導體隔開。他們成功優化了電路并測量了其所有特性，從而深入理解了電路的工作原理。

在實驗中，他們成功控制并觀測到一種現象：超導體中的所有帶電粒子會協同運動，仿佛它們是一個充滿整個電路的“單粒子”。這種類粒子系統會被困在“零電壓電流態”中——在該狀態下，電流無需電壓即可流動，且系統沒有足夠能量脫離這一狀態。而在實驗里，該系統通過隧穿效應脫離零電壓態、產生電壓，展現出了量子特性。

三位獲獎者還證實該系統具有“量子化”特征，也就是它只會以特定的能量值吸收或釋放能量。他們向零電壓態中引入了不同波長的微波，發現部分微波被系統吸收，且系統隨后會躍遷到更高的能級。這一結果表明：系統能量越高，零電壓態的持續時間就越短，這與量子力學的預測完全一致，就像被壁壘困住的微觀粒子的行為一樣。

為開發量子計算機技術創造可能

以往在宏觀尺度上被觀測到的其他量子效應，大多由大量“微觀單元”及其各自的量子特性共同構成 。但此次實驗從“本身具有宏觀屬性的狀態”中，直接產生了宏觀效應，即可測量的電壓。

安東尼·萊格特（Anthony Leggett）等理論家將三位獲獎者的“宏觀量子系統”與埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）著名的“薛定諤的貓”思想實驗進行了對比。在“薛定諤的貓”實驗中，若不打開盒子觀察，貓將處于“既活又死”的疊加態。薛定諤提出這一思想實驗，旨在凸顯這種狀態的“荒謬性”，因為量子力學的特殊特性在宏觀尺度上往往會消失，實驗室中無法觀測到一只貓的整體量子特性。萊格特認為，克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯的一系列實驗表明：存在“大量粒子協同運動、且完全符合量子力學預測”的現象。由于該實驗測量的是“適用于整個系統的量子力學特性”，對量子物理學家而言，它與薛定諤設想的“量子貓”已十分接近。

這類宏觀量子態為利用粒子微觀世界的現象開展實驗提供了新可能。它可被視為一種“大規模人工原子”，這種“原子”帶有導線和接口，可接入新的實驗裝置或應用于新型量子技術。例如，“人工原子”可用于模擬其他量子系統，幫助研究者理解這些系統的特性。

目前，超導電路也是構建未來量子計算機的探索方向之一。今年的諾貝爾物理學獎為開發包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器在內的下一代量子技術創造了可能。馬蒂尼斯后續開展的量子計算機實驗就是利用了能量量子化的特性。他將具有量子化狀態的電路用作“信息載體單元”（即 量子比特），其中最低能級和相鄰的高能級分別對應0和1。

應江華表示，疊加和糾纏是量子力學最基本的兩個特性，正是因為這兩個特性才使得算力能夠隨著量子比特數目的增加而指數級增加，實現量子計算的優越性。理論上，一旦突破49個量子比特，那么算力可以超過目前最強大的經典計算機。

“馬蒂尼斯最重要的貢獻在于證明超導量子計算的優越性。”應江華表示，馬蒂尼斯是超導量子計算領域的標志性人物，他曾是谷歌超導量子計算團隊的領導者，在工程化和量子計算的落地應用上有更為突出的貢獻。

諾貝爾獎傳統上多授予“從0到1”的原創性科研成果，但在超導量子計算領域，馬蒂尼斯的工作并非完全是從“0到1”的科學發現，而更多是從“1到99”的技術推進與工程落地階段。應江華表示，諾獎也開始更多關注那些在實際科學成果轉化、技術應用落地中發揮核心作用的研究者。“一些在工程上做出很大的突破、在成果轉化或量子計算落地應用中做出很大貢獻的科學家也有可能拿諾獎。”

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