2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉！量子計(jì)算成最大贏家

新智元報(bào)道

編輯：艾倫 好困

【新智元導(dǎo)讀】剛剛，2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布。今年物理學(xué)獎(jiǎng)沒(méi)有頒給AI領(lǐng)域，而是量子力學(xué)。科學(xué)家John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis三人獲獎(jiǎng)，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」。

剛剛，2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布！

科學(xué)家John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis三人獲獎(jiǎng)，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」。

對(duì)此，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)主席Olle Eriksson激動(dòng)得表示：

百年量子力學(xué)仍不斷帶來(lái)新的驚喜！更重要的是，它極具實(shí)用價(jià)值，因?yàn)榱孔恿W(xué)構(gòu)成了所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)。

計(jì)算機(jī)微芯片中的晶體管就是我們?nèi)粘Ｉ钪幸褟V泛應(yīng)用的量子技術(shù)實(shí)例。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為新一代量子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，包括量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器等領(lǐng)域。

今年獎(jiǎng)金總額達(dá)1100萬(wàn)瑞典克朗（約835萬(wàn)元人民幣），由三位獲獎(jiǎng)?wù)咂椒帧?/p>

獲獎(jiǎng)貢獻(xiàn)

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明，量子世界的奇異特性可以在一個(gè)大到足以置于掌中的體系中具體展現(xiàn)。

他們的超導(dǎo)電路系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)間的隧穿，如同徑直穿墻而過(guò)。

與此同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)以特定大小的能量份來(lái)吸收和釋放能量，這與量子力學(xué)的預(yù)言完全一致。

量子力學(xué)描述的特性，通常僅在單個(gè)粒子的尺度上才具有顯著意義。

在量子物理學(xué)中，這些現(xiàn)象被稱為微觀現(xiàn)象，即便它們遠(yuǎn)比光學(xué)顯微鏡的觀測(cè)極限更小。宏觀現(xiàn)象則與之相反，它由大量粒子組成。

舉個(gè)例子，當(dāng)我們把球扔向墻壁，它總會(huì)彈回來(lái)。然而，單個(gè)粒子有時(shí)卻能直接穿過(guò)其微觀世界中的等效勢(shì)壘，出現(xiàn)在另一側(cè)。

這種量子力學(xué)現(xiàn)象被稱為隧穿效應(yīng)。

1984至1985年間，John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。

他們用一層完全不導(dǎo)電的薄膜將這兩個(gè)超導(dǎo)體隔開(kāi)。

實(shí)驗(yàn)證明，他們能夠控制并研究一種奇特現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子行動(dòng)完全同步，仿佛它們是填充了整個(gè)電路的同一個(gè)粒子。

這就好比一個(gè)開(kāi)關(guān)處于「關(guān)」的位置，且有東西阻礙它撥向「開(kāi)」。若沒(méi)有量子力學(xué)效應(yīng)，此狀態(tài)將保持不變。突然，電壓出現(xiàn)了。于是開(kāi)關(guān)無(wú)視障礙，自行從「關(guān)」撥到了「開(kāi)」。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的這一幕，被稱為宏觀量子隧穿。

獲獎(jiǎng)?wù)邆兊墓ぷ鳎⒃跀?shù)十年積累的理論概念和實(shí)驗(yàn)工具之上。

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家們已經(jīng)知曉，隧穿效應(yīng)是特定類型核衰變（α衰變）發(fā)生的必要條件。

原子核的一小部分會(huì)掙脫束縛，出現(xiàn)在其外部。

物理學(xué)家們很快開(kāi)始思考，是否有可能研究一種涉及多個(gè)粒子同時(shí)隧穿的現(xiàn)象。

一種新的實(shí)驗(yàn)思路，源于某些材料在極低溫下呈現(xiàn)的奇異現(xiàn)象。

在普通導(dǎo)體中，電子相互推擠，并與構(gòu)成材料的原子碰撞。

當(dāng)材料成為超導(dǎo)體時(shí)，電子兩兩配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)，構(gòu)成無(wú)阻力的電流。

此時(shí)，這些庫(kù)珀對(duì)的行為，就像一個(gè)充滿了整個(gè)電路的單一粒子。用量子力學(xué)的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，它們共享同一個(gè)波函數(shù)。

如果用一層薄的絕緣層將兩個(gè)超導(dǎo)體連接起來(lái)，便構(gòu)成了一個(gè)約瑟夫森結(jié)。

時(shí)間回到上個(gè)世紀(jì)，時(shí)任UC伯克利教授的John Clarke建立了自己的研究小組，專注于利用超導(dǎo)體和約瑟夫森結(jié)探索一系列物理現(xiàn)象。

到20世紀(jì)80年代中期，在巴黎獲得博士學(xué)位的Michel H. Devoret作為博士后加入了John Clarke的研究小組。

當(dāng)時(shí)組里還有博士生John M. Martinis。他們共同接受了驗(yàn)證宏觀量子隧穿的挑戰(zhàn)。

為了屏蔽實(shí)驗(yàn)裝置免受一切潛在干擾，他們付出了巨大的心血和極高的精度。

最終，他們成功地優(yōu)化并精確測(cè)量了其電路的各項(xiàng)屬性，從而對(duì)其有了透徹的理解。

為了測(cè)量量子現(xiàn)象，他們向約瑟夫森結(jié)注入微弱電流，并測(cè)量其兩端的電壓，該電壓與電路的電阻相關(guān)。

如預(yù)期那樣，約瑟夫森結(jié)的電壓最初為零。這是因?yàn)橄到y(tǒng)的波函數(shù)被「囚禁」在一個(gè)不允許產(chǎn)生電壓的狀態(tài)里。

接著，他們研究了系統(tǒng)需要多長(zhǎng)時(shí)間才能隧穿出該狀態(tài)，從而產(chǎn)生電壓。

由于量子力學(xué)內(nèi)含隨機(jī)性，他們進(jìn)行了大量測(cè)量，并將結(jié)果繪制成圖表，從中解讀出零電壓狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。

以往，隧穿和能量量子化現(xiàn)象只在包含少數(shù)粒子的體系中被研究；而在這里，這些現(xiàn)象出現(xiàn)在一個(gè)由數(shù)十億個(gè)庫(kù)珀對(duì)構(gòu)成的量子力學(xué)系統(tǒng)中（承載該電路的芯片尺寸約為一厘米）。實(shí)驗(yàn)通過(guò)這種方式，將量子力學(xué)效應(yīng)從微觀尺度帶入了宏觀尺度。

隧穿現(xiàn)象證明，實(shí)驗(yàn)裝置中的庫(kù)珀對(duì)，在它們同步的「舞蹈」中，其行為宛如一個(gè)巨大的單一粒子。

當(dāng)研究人員觀察到該系統(tǒng)具有量子化的能級(jí)時(shí)，他們獲得了進(jìn)一步的佐證。

量子力學(xué)（Quantum mechanics）一詞的詞根「量子」（quanta），正源于微觀過(guò)程中能量總是以一份份獨(dú)立包裝的形式存在的觀察。

獲獎(jiǎng)?wù)邆儗⒉煌ㄩL(zhǎng)的微波引入零電壓狀態(tài)，其中某些特定波長(zhǎng)的微波被系統(tǒng)吸收，使其躍遷到更高的能級(jí)。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)系統(tǒng)擁有更多能量時(shí)，零電壓狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間會(huì)變短——這正是量子力學(xué)的預(yù)言。一個(gè)被囚禁在勢(shì)壘后的微觀粒子，其行為方式與此完全相同。

一個(gè)處于勢(shì)壘后的量子力學(xué)系統(tǒng)可以擁有不同大小的能量，但它只能吸收或釋放特定大小的能量份。在較高能級(jí)發(fā)生隧穿比在較低能級(jí)更容易，因此，從統(tǒng)計(jì)上看，能量越高的系統(tǒng)被「囚禁」的時(shí)間，要短于能量較低的系統(tǒng)。

John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis所做的這一系列實(shí)驗(yàn)表明，確實(shí)存在這樣一種現(xiàn)象：海量的粒子作為一個(gè)整體，其行為方式與量子力學(xué)的預(yù)言完全相符。

這個(gè)由眾多庫(kù)珀對(duì)構(gòu)成的宏觀系統(tǒng)，其尺度雖然仍比一只小貓小數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，但由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是適用于該系統(tǒng)整體的量子力學(xué)特性，因此在量子物理學(xué)家看來(lái)，它與「薛定諤的貓」頗有幾分神似。

這類宏觀量子態(tài)為利用主宰微觀粒子世界的現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了新的可能。

它可視作一種大尺度的人造原子——一個(gè)帶有電纜和插座的「原子」，可以被接入新的測(cè)試裝置，或應(yīng)用于新興的量子技術(shù)。

在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，Martinis就基于這種能量量子化特性，并使用了一個(gè)具有量子化能態(tài)的電路作為信息承載單元——即量子比特。最低能態(tài)和其上的第一級(jí)激發(fā)態(tài)分別代表了「0」和「1」。

如今，超導(dǎo)電路正是目前探索構(gòu)建未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的領(lǐng)先技術(shù)路線之一。

因此，今年的獲獎(jiǎng)?wù)邆儾粌H為物理實(shí)驗(yàn)室?guī)?lái)了實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也為我們對(duì)物理世界的理論理解貢獻(xiàn)了新的認(rèn)知。

獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

John Clark，1942年出生于英國(guó)劍橋，1968年獲英國(guó)劍橋大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校教授。

在加州大學(xué)伯克利分校完成博士后研究后，他于1969年加入物理系任教。

他是倫敦皇家學(xué)會(huì)、美國(guó)物理學(xué)會(huì)、美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)以及英國(guó)物理學(xué)會(huì)的會(huì)士（Fellow）。

他曾獲斯隆研究基金會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金、古根海姆獎(jiǎng)學(xué)金，并擔(dān)任米勒教授。

1987年，他被評(píng)為「加州年度科學(xué)家」，并因低溫物理研究獲得弗里茨·倫敦獎(jiǎng)。

1998年，他獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)「約瑟夫·F·基思利測(cè)量科學(xué)進(jìn)步獎(jiǎng)」，1999年獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)院「康斯托克物理學(xué)獎(jiǎng)」。

2004年獲得英國(guó)皇家學(xué)會(huì)「休斯獎(jiǎng)?wù)隆梗⒂?005年擔(dān)任加州大學(xué)伯克利分校「教師科研講席教授」（Faculty Research Lecturer）。

他的主要研究興趣之一是超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）的發(fā)展、噪聲極限與應(yīng)用，對(duì)受量子極限約束的探測(cè)器和測(cè)量尤為著迷。

應(yīng)用方向包括讀出超導(dǎo)（reading out superconducting）「量子比特（qubits）」、用于超低頻核磁共振（NMR）與磁共振成像（MRI）的新方案，以及尋找軸子。

他的論文被引近5萬(wàn)次。

Michel H. Devoret，1953年出生于法國(guó)巴黎，1982年獲法國(guó)巴黎第十一大學(xué)（Paris-Sud University）博士學(xué)位，現(xiàn)任美國(guó)耶魯大學(xué)（康涅狄格州紐黑文）及加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授。

他的研究領(lǐng)域集中于實(shí)驗(yàn)固態(tài)物理，特別是被他稱為 「量子電子學(xué)（quantronics）」 的方向，即研究在介觀電子系統(tǒng)中，電流與電壓等集體變量的量子行為。

Devoret的工作旨在深入理解用于量子信息處理（如量子計(jì)算與量子傳感）的超導(dǎo)電路中量子非平衡物理的基本原理。

他是現(xiàn)代超導(dǎo)量子電路與量子比特（qubit）實(shí)驗(yàn)研究的奠基人之一。他與Robert Schoelkopf、John Martinis等人合作，對(duì)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特的相干控制與測(cè)量技術(shù)作出了關(guān)鍵貢獻(xiàn)。

他的團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子比特架構(gòu)與高保真度量子測(cè)量方面的實(shí)驗(yàn)成果，對(duì)推動(dòng)當(dāng)代量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)起到了決定性作用。

他的研究融合了基礎(chǔ)量子物理與工程技術(shù)，是「量子信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)物理化」的代表人物之一。

他在「量子限制放大器」、「單電子器件」、「量子測(cè)量理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證」等方面的研究對(duì)量子計(jì)算和量子測(cè)量學(xué)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。

Devoret部分榮譽(yù)與獎(jiǎng)項(xiàng)：

• Comstock Prize in Physics（美國(guó)國(guó)家科學(xué)院，2024，與 Robert Schoelkopf 共享）

• Micius Quantum Prize（墨子量子獎(jiǎng)），2022

• Olli V. Lounasmaa Memorial Prize，2016

• Fritz London Memorial Prize（與Robert Schoelkopf和John Martinis共享），2014

• John Bell Prize（與Robert Schoelkopf共享），2013

• 當(dāng)選法國(guó)科學(xué)院院士，2007

• 任職法蘭西學(xué)院（Collège de France）教授，2007–2012

• Europhysics–Agilent Prize（與Daniel Esteve、Hans Moij和Yasunobu Nakamura共享），2004

• 當(dāng)選 美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士（AAAS Fellow），2003

• Descartes–Huygens Prize（荷蘭皇家科學(xué)院），1996

• Ampère Prize（法國(guó)科學(xué)院，與Daniel Esteve共享，以表彰電子泵的發(fā)明），1991

John M. Martinis，1958年出生，1987年獲美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位，現(xiàn)任加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授。

John Martinis是一位杰出的物理學(xué)家，以其在量子計(jì)算領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)而聞名。

他專注于超導(dǎo)量子比特的研究，一直站在開(kāi)發(fā)高保真量子比特的最前沿，這些量子比特是可擴(kuò)展量子處理器的關(guān)鍵。

在創(chuàng)立Qolab之前，馬蒂尼斯是谷歌量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)的核心人物，他領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)展示了量子計(jì)算機(jī)在特定任務(wù)上超越全球最強(qiáng)經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力。

他在量子糾錯(cuò)與可擴(kuò)展量子處理器方面的開(kāi)創(chuàng)性研究極大推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。

馬蒂尼斯持續(xù)激勵(lì)并指導(dǎo)新一代量子工程師和科學(xué)家，推動(dòng)量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用向前發(fā)展。

他的論文被引已超過(guò)77000次。

讓我們?cè)俅蜗蛉粋ゴ蟮奈锢韺W(xué)家致敬！

參考資料：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/press-release/

https://physics.berkeley.edu/people/faculty/john-clarke

https://engineering.yale.edu/research-and-faculty/faculty-directory/michel-devoret

https://qolab.ai/our_team/john-martinis/