2025諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀：他們是超導(dǎo)量子比特實(shí)驗(yàn)的開端

作者 | 施郁（復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系）

編輯 | 墨子沙龍

瑞典皇家科學(xué)院于北京時(shí)間2025年10月7日宣布，將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret）與約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們“在電路中實(shí)現(xiàn)宏觀量子隧穿與能級(jí)量子化（for the discovery of macroscopic quantum mechanical tunnelling and energy quantisation in an electric circuit）”的杰出貢獻(xiàn)。

為什么今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)會(huì)頒布給這三位科學(xué)家？他們的工作涉及什么方面？又有哪些應(yīng)用？本文將介紹這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)背景和發(fā)展歷程，從中看到這三位科學(xué)家的貢獻(xiàn)。

超導(dǎo)和超流

超導(dǎo)和超流經(jīng)常被稱作“宏觀量子現(xiàn)象”。但是通常情況下，它們只是微觀量子行為的宏觀表現(xiàn)，并不是宏觀變量的量子化。

超導(dǎo)懸浮

液氦超流

按照統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，量子粒子分為兩種。一種叫做玻色子，可以處于相同狀態(tài)。另一種叫做費(fèi)米子，任何兩個(gè)費(fèi)米子都不能處于相同狀態(tài)。在量子力學(xué)中，同種粒子，比如兩個(gè)電子或者兩個(gè)光子，是絕對(duì)完全一樣的，叫做全同粒子。由2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子組成的原子核叫做氦3原子核，它與2個(gè)電子組成電中性的氦3原子，是費(fèi)米子。由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的原子核叫做氦4原子核，它與2個(gè)電子組成電中性的氦4原子，是玻色子。

因此在系統(tǒng)總能量最低時(shí)，簡(jiǎn)單來說（忽略相互作用），大量的全同玻色子都處在相同的最低能量狀態(tài)，叫做玻色-愛因斯坦凝聚。超流就是玻色-愛因斯坦凝聚的后果。最常見的超流是氦4超流。

玻色-愛因斯坦凝聚

而費(fèi)米子可以由某種機(jī)制導(dǎo)致兩兩配對(duì)，形成“庫珀對(duì)”，近似于玻色子。庫珀對(duì)的近似玻色-愛因斯坦凝聚也導(dǎo)致超流。最常見的費(fèi)米子超流是固體中的電子超流，一般稱作超導(dǎo)電性（因?yàn)殡娮訋щ姡?jiǎn)稱超導(dǎo)。也存在電中性的費(fèi)米子超流，如氦3的超流。

庫珀對(duì)卡通示意圖

基于庫珀對(duì)凝聚的超導(dǎo)理論于1956年由巴丁（John Bardeen），庫珀（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）提出，庫珀對(duì)的總自旋（內(nèi)稟角動(dòng)量）為0。而氦3超流的庫珀對(duì)總自旋為1。對(duì)氦3超流的理論做出貢獻(xiàn)的萊格特（Anthony J. Leggett）因此獲得2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。安德森（Philip Anderson）等人對(duì)此也有重要貢獻(xiàn)。

玻色-愛因斯坦凝聚、超流或者超導(dǎo)都可以由一個(gè)序參量描寫，有時(shí)被稱為宏觀波函數(shù)，它是一個(gè)復(fù)數(shù)函數(shù)。粒子之間作用力比較弱時(shí)，可以用平均場(chǎng)理論來描述，假設(shè)所有全同粒子的波函數(shù)一樣，它們相乘在一起，就構(gòu)成系統(tǒng)的整體波函數(shù)。每個(gè)全同粒子的單體波函數(shù)就是序參量（通常再乘以粒子數(shù)的平方根）。對(duì)于相互作用較強(qiáng)的情況，序參量是規(guī)范對(duì)稱自發(fā)破缺所導(dǎo)致的場(chǎng)算符的期望值，或者是單玻色子或者雙費(fèi)米子約化密度矩陣的最大本征值的本征函數(shù)（這個(gè)說法對(duì)應(yīng)于Penrose-Onsager和楊振寧的非對(duì)角長程序）。

不管理論上以何種方式得到，這個(gè)序參量（或稱宏觀波函數(shù)）的一個(gè)重要特征是相位。相位隨著位置的變化驅(qū)動(dòng)了超流。約瑟夫森效應(yīng)體現(xiàn)了這個(gè)相位的物理真實(shí)性。對(duì)于由絕緣體薄層隔開的兩個(gè)超導(dǎo)體，兩個(gè)超導(dǎo)體的宏觀波函數(shù)的相位差直接導(dǎo)致穿過絕緣體的超導(dǎo)電流，電流強(qiáng)度正比于相位差的正弦函數(shù)，這就是約瑟夫森效應(yīng)。它是劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森（Brian Josephson）在學(xué)習(xí)Philip Anderson的超導(dǎo)課程時(shí)，用多體微觀理論得到的結(jié)論。宏觀波函數(shù)的相位差是一個(gè)宏觀變量，但是由于粒子數(shù)漲落很大，相位成為一個(gè)經(jīng)典變量。

約瑟夫森結(jié)

約瑟夫森結(jié)的 I-V 曲線

粒子數(shù)與相位是量子共軛算符

對(duì)于小約瑟夫森結(jié)，相位也有漲落，粒子數(shù)與相位都成為量子力學(xué)算符，而且它們具有共軛關(guān)系，類似位置和動(dòng)量之間的關(guān)系，也就是互不對(duì)易（改變作用順序，結(jié)果不同）。這也使得它們之間也服從海森堡的不確定關(guān)系。

1980年，Leggett指出[1]，通常所謂的“宏觀量子系統(tǒng)”，即超導(dǎo)和超流，以及磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)這些后果，并沒有表明量子力學(xué)原理適用于宏觀系統(tǒng)，因?yàn)槠渲胁]有宏觀上的不同狀態(tài)之間的量子疊加（如假想的薛定諤貓），但是由于在超導(dǎo)或超流狀態(tài)下，耗散低，超導(dǎo)器件特別是SQUID（超導(dǎo)量子干涉儀，即具有兩個(gè)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)環(huán)），通過特別的設(shè)計(jì)，適合于尋找不同宏觀狀態(tài)之間的量子疊加或量子隧穿。這引領(lǐng)了幾十年約瑟夫森結(jié)的量子效應(yīng)的研究，包括超導(dǎo)量子比特的興起。

作者與Leggett教授 （攝于2003年10月諾貝爾獎(jiǎng)宣布后伊利諾伊大學(xué)立即為Leggett舉行的慶祝會(huì)）

約 瑟夫森結(jié)量子行為的首次實(shí)驗(yàn)觀察

1985年，加州大學(xué)伯克利分校John Clark教授帶領(lǐng)兩位學(xué)生John Martinis和Michel Devoret，首先觀察到偏電流約瑟夫森結(jié)的量子行為[2]。偏電流是指外電流。具體來說，他們觀察到量子化的能級(jí)，表明了約瑟夫森結(jié)的相位差確實(shí)是一個(gè)量子力學(xué)算符，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論一致。

描述這個(gè)系統(tǒng)的方程類似于一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的一維運(yùn)動(dòng)，約瑟夫森結(jié)相位差對(duì)應(yīng)于質(zhì)點(diǎn)位置。對(duì)應(yīng)后，質(zhì)點(diǎn)所受的勢(shì)能作為位置的函數(shù)，是傾斜的余弦函數(shù)。在約瑟夫森結(jié)中，這個(gè)傾斜由偏電流引起。約瑟夫森結(jié)的零電壓態(tài)對(duì)應(yīng)于質(zhì)點(diǎn)的勢(shì)能低點(diǎn)（叫做勢(shì)阱）。量子力學(xué)預(yù)言，在勢(shì)阱中，質(zhì)點(diǎn)處于所謂束縛態(tài)（指束縛在勢(shì)阱中），而且所能具有的能量是分立的，叫做能級(jí)——也就是說，只有某些特定的數(shù)值才被允許，這叫能量量子化。原子中的電子就具有這個(gè)性質(zhì)。具有如此能級(jí)結(jié)構(gòu)的人工器件有時(shí)被稱作人造原子，可以用約瑟夫森結(jié)實(shí)現(xiàn)，也可以用半導(dǎo)體量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

Clarke和兩位學(xué)生將約瑟夫森結(jié)用微波輻照，發(fā)現(xiàn)當(dāng)微波頻率（乘以普朗克常數(shù)）等于分立能級(jí)之差時(shí)（幾個(gè)GHz），“質(zhì)點(diǎn)”逃逸率（逃逸出勢(shì)阱的概率）大大增加，也就是說，約瑟夫森結(jié)兩端的電壓以及導(dǎo)致的電流大大增強(qiáng)。這是一種共振，類似于，如果電磁波的頻率（乘以普朗克常數(shù)）與原子中的電子能級(jí)差相等，低能級(jí)的電子就會(huì)吸收光子，躍遷到高能級(jí)。他們觀測(cè)到，隨著溫度升高，逃逸率從量子共振激發(fā)過渡到經(jīng)典熱激發(fā)。

就這樣，約瑟夫森結(jié)的量子行為首次得到證明，而且表明可以通過電路對(duì)它進(jìn)行控制，并能將多個(gè)約瑟夫森結(jié)連結(jié)起來。短短兩年后，Clark因此獲得了低溫物理的菲列茲·倫敦獎(jiǎng)（Fritz London Memorial Prize）。

他們的約瑟夫森結(jié)材料是Nb-NbOx-PbIn，中間的氧化鈮是絕緣體，兩邊的鈮和鉛銦合金是超導(dǎo)體。后來人們改用Al-Al2O3-Al, 即鋁-氧化鋁-鋁，它的耗散更低[3]。

小約瑟夫森結(jié)

約瑟夫森結(jié)的能量來自兩個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的部分。一是庫珀對(duì)帶來的充電能，等于充電能常數(shù)（一對(duì)庫珀對(duì)的充電能）乘以庫珀對(duì)數(shù)目（減去一個(gè)所謂的門電荷數(shù)）的平方。另一個(gè)是約瑟夫森隧道耦合能，是庫珀對(duì)隧穿導(dǎo)致的負(fù)能量（當(dāng)庫珀對(duì)波函數(shù)是隧道兩邊的疊加態(tài)時(shí)，能量降低），等于負(fù)的約瑟夫森能量常數(shù)（臨界電流乘以磁通量子，除以2π）乘以相位差的余弦。

1990年代，很多研究組研究小約瑟夫森結(jié)[4]。代爾夫特工業(yè)大學(xué)的J. E. Mooij組研究了約瑟夫森結(jié)陣列[5]，哈佛大學(xué)的Tinkham組觀察到超導(dǎo)單電子晶體管的電流-電壓關(guān)系中的2e周期性[6]，當(dāng)時(shí)在法國Saclay原子能委員會(huì)的Devoret組也證實(shí)了這個(gè)結(jié)果[7]，J. E. Mooij組證明了相位與電荷（庫珀對(duì)數(shù)目乘以電子電荷）之間的海森堡關(guān)系[8]。

量子計(jì)算的興起

1980年代，量子計(jì)算的研究開始出現(xiàn)。1990年代早期，Peter Shor提出可以有效解決因子化問題的量子算法，使得量子計(jì)算得到更廣泛的關(guān)注。當(dāng)時(shí)，量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)主要在光子、離子、原子這些系統(tǒng)中研究，而固體物理系統(tǒng)被認(rèn)為太復(fù)雜，自由度太多。1990年代后期，研究超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)和半導(dǎo)體量子點(diǎn)的科學(xué)家開始對(duì)量子計(jì)算感興趣，試圖實(shí)現(xiàn)量子比特。當(dāng)時(shí)仍然有很多科學(xué)家不知道這個(gè)領(lǐng)域。記得世紀(jì)之交時(shí)，筆者向一位知名凝聚態(tài)理論學(xué)者說起對(duì)凝聚態(tài)系統(tǒng)中的量子糾纏與量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)有點(diǎn)興趣，對(duì)方不知道什么意思。

固態(tài)“人造原子”有其優(yōu)點(diǎn)，它可以借由電路實(shí)現(xiàn)仔細(xì)的調(diào)控，因?yàn)橄鄬?duì)于真正的原子，更容易調(diào)控各種參數(shù)，而且也容易和傳統(tǒng)的技術(shù)整合，便于擴(kuò)展到很多量子比特。

任何用來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理系統(tǒng)，首先要解決的問題是量子比特的物理實(shí)現(xiàn)，包括單個(gè)量子比特以及不同量子比特的耦合。下文主要回顧單個(gè)超導(dǎo)量子比特的實(shí)現(xiàn)。

超導(dǎo)量子比特

超導(dǎo)量子比特有很多種。當(dāng)充電能比約瑟夫森能大很多時(shí)，相位漲落大，庫珀對(duì)數(shù)目接近明確，所實(shí)現(xiàn)的量子比特叫做電荷量子比特，又叫庫珀對(duì)盒子。當(dāng)約瑟夫森能比充電能大很多時(shí)，粒子數(shù)漲落大，相位明確，所實(shí)現(xiàn)的量子比特叫做相位量子比特，也可實(shí)現(xiàn)磁通量子比特。另外還有quantronium, transmon, flxonium，等等。

電荷量子比特

相位量子比特

1998年，Devoret組證明了電荷量子比特疊加態(tài)的存在性[9]。

1999年，當(dāng)時(shí)在日本NEC實(shí)驗(yàn)室的中村泰信及其合作者Pashkin和Tsai實(shí)現(xiàn)了電荷量子比特的疊加態(tài)[10]。他們用電壓脈沖，實(shí)現(xiàn)了相差一對(duì)庫珀對(duì)的兩個(gè)粒子數(shù)本征態(tài)的量子疊加。雖然相干時(shí)間（維持疊加態(tài)的時(shí)間）只有2納秒，但是脈沖時(shí)間只有100皮秒。后來，他們又實(shí)現(xiàn)了在微波作用下，這兩個(gè)電荷本征態(tài)之間的拉比振蕩[11]。

2000年，紐約州立大學(xué)石溪分校的Lukens組[12]和代爾夫特的Mooij組[13]分別在特別設(shè)計(jì)的、包含3個(gè)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)環(huán)中，實(shí)現(xiàn)了不同電流方向（順時(shí)針和逆時(shí)針）的量子疊加態(tài)。這也叫磁通量子比特，因?yàn)閮蓚€(gè)方向的電流對(duì)應(yīng)不同的、穿過環(huán)路的磁通量。但是量子疊加的證據(jù)是間接的，來自光譜[14]。

2002年，在Saclay和耶魯大學(xué)的Devoret組用圍繞一個(gè)庫珀對(duì)盒子巧妙設(shè)計(jì)的超導(dǎo)電路，以哈密頓量的兩個(gè)本征態(tài)作為量子比特，實(shí)現(xiàn)了任意幺正演化（包括拉比振蕩）以及投影測(cè)量[15]。他們自己稱這個(gè)量子比特為quantronium。這是電荷-磁通混合量子比特[14]，自由演化時(shí)，對(duì)電荷和磁通噪聲都不敏感，等效于電荷量子比特，而讀出時(shí)又改變控制參數(shù)，對(duì)磁通敏感，等效于磁通量子比特。

與之同時(shí)，堪薩斯大學(xué)的韓思遠(yuǎn)組發(fā)表了偏電流約瑟夫森結(jié)的兩個(gè)本征態(tài)之間的拉比振蕩[16]。當(dāng)時(shí)在科羅拉多的NIST的Martinis組也觀察到同樣的現(xiàn)象。偏電流約瑟夫森結(jié)也就是1985年Clarke、Martinis和Devoret最初研究的系統(tǒng)，它的兩個(gè)本征態(tài)對(duì)磁通噪聲敏感度低于磁通量子比特[14]。它們被稱為相位量子比特[18,19]，因?yàn)榧s瑟夫森能比充電能大很多。

2003年，Mooij組實(shí)現(xiàn)了磁通量子比特的拉比振蕩和讀出[20]。當(dāng)時(shí)中村泰信在該組訪問，是該工作的合作者。

后來這個(gè)領(lǐng)域又取得了長足的進(jìn)展，包括雙量子比特和多量子比特的耦合，直到最近用幾十個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性[21,22]。這里不再贅述。

置于微波腔中的超導(dǎo)量子電路還導(dǎo)致所謂電路量子電動(dòng)力學(xué)，電磁波顯示出量子行為。比起基于腔量子電動(dòng)力學(xué)（原子與光子耦合）的量子門和讀出，基于電路量子電動(dòng)力學(xué)的量子門和讀出快1000倍，但是退相干也快1000倍，不過電路量子電動(dòng)力學(xué)能獲得大量數(shù)據(jù)[3]。

Leggett一直在推動(dòng)用SQUID檢驗(yàn)是否存在宏觀不同的狀態(tài)的量子疊加[23]。最近的一個(gè)磁通量子比特實(shí)驗(yàn)說明，至少對(duì)于10納秒、170納安培的電流，存在兩個(gè)方向電流狀態(tài)的量子疊加[24]。

小結(jié)

通過我們的回顧綜述，可以看到，J. Clarke和他的學(xué)生J.M.Martinis和M.H. Devoret最早通過偏電流約瑟夫森結(jié)，首次觀察到約瑟夫森結(jié)的量子行為。后來Devoret又做了一系列工作，包括1998年證明了電荷量子比特疊加態(tài)的存在性， 2002年實(shí)現(xiàn)電荷-磁通混合量子比特的拉比共振和其他演化及投影測(cè)量。中村泰信1999年和2001年分別首先實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特的量子疊加和拉比振蕩，是在電荷量子比特中。他2003年還參與Mooij組實(shí)現(xiàn)了磁通量子比特的拉比振蕩和讀出。