把量子效應(yīng)放大到肉眼可見？三位科學(xué)家摘得2025諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)桂冠

今天，瑞典皇家科學(xué)院將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷（Michel H. Devoret） 和約翰·M·馬蒂尼斯（John M. Martinis）， 以表彰他們在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)與能量量子化現(xiàn)象方面的成就。

圖源：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會

量子力學(xué)描述的是在單個(gè)粒子尺度上起重要作用的性質(zhì)。在量子物理學(xué)中，這些現(xiàn)象被稱為“微觀”，即使它們小到光學(xué)顯微鏡都無法直接觀察。這與“宏觀”現(xiàn)象形成鮮明對比，宏觀現(xiàn)象由大量粒子組成。比如，一個(gè)日常生活中的球體由天文數(shù)量的分子組成，表現(xiàn)出完全的經(jīng)典行為，沒有任何量子力學(xué)效應(yīng)。我們知道，當(dāng)你把球扔向墻壁，它一定會彈回來。然而，在微觀世界中，一個(gè)單獨(dú)的粒子有時(shí)卻能“穿透”相當(dāng)于墻壁的障礙，出現(xiàn)在另一邊，這一量子力學(xué)現(xiàn)象稱為“隧穿效應(yīng)（tunnelling）”。

圖源：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰的是那些在“宏觀尺度”上觀測到量子隧穿效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，也就是說，這種效應(yīng)發(fā)生在包含大量粒子的系統(tǒng)中。1984年和1985年，約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John Martinis）在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。他們搭建了一個(gè)由兩個(gè)超導(dǎo)體構(gòu)成的電路，超導(dǎo)體是一種可以無電阻導(dǎo)電的材料，并在它們之間加入了一層不導(dǎo)電的極薄絕緣層。在這一實(shí)驗(yàn)中，他們證明可以控制并研究這樣一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子表現(xiàn)得仿佛它們是一個(gè)“整體粒子”，一個(gè)充滿整個(gè)電路的單一量子系統(tǒng)。

“穿墻術(shù)”：量子世界有多奇怪？

在我們的日常世界里，一個(gè)球扔向墻壁，必然會反彈回來。我們把這種由大量粒子組成的、符合日常經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)象稱為宏觀 (macroscopic)現(xiàn)象。

但在比顯微鏡尺度還小得多的 微觀 (microscopic)世界里，規(guī)則完全不同。一個(gè)微觀粒子，比如電子，在撞向能量壁壘時(shí)，有時(shí)并不會反彈，而是有一定概率直接“穿”過去，出現(xiàn)在另一邊。這個(gè)令人匪夷所思的現(xiàn)象，就是量子力學(xué)中的量子隧穿 (quantum tunneling)，俗稱“穿墻術(shù)”。

當(dāng)你把球扔向墻時(shí)，它必定會被彈回。若球突然“出現(xiàn)在”墻的另一側(cè)，你會感到極度震驚。這正是量子物理被認(rèn)為“詭異且反直覺”的原因所在。

圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

打個(gè)比方：你把球扔向一堵墻，它每次都會彈回來。但如果這個(gè)球是個(gè)量子粒子，那么你扔一萬次，可能就有一次，它會神秘地出現(xiàn)在墻的另一邊，就好像墻壁不存在一樣。

長久以來，人們認(rèn)為這種現(xiàn)象只屬于微觀世界。而今年的諾獎(jiǎng)得主們，卻成功地在一個(gè)由數(shù)十億粒子組成的“宏觀”系統(tǒng)中，觀測到了這種集體“穿墻”的奇景。

一場“宏大”的量子實(shí)驗(yàn)

時(shí)間回到1984年和1985年，在加州大學(xué)伯克利分校，Clarke、Devoret 和 Martinis 合作進(jìn)行了一系列開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。

他們構(gòu)建了一個(gè)特殊的電路，核心部件是用一層薄薄的絕緣體隔開的兩個(gè) 超導(dǎo)體(一種可以無電阻導(dǎo)電的神奇材料)。在這個(gè)電路中，所有帶電粒子（庫珀對，即成對的電子）步調(diào)完全一致，行動(dòng)起來就如同一個(gè)充滿整個(gè)電路的、巨大的“超級粒子”。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，這個(gè)“超級粒子”系統(tǒng)被困在一個(gè)零電壓的狀態(tài)，就像一個(gè)被卡住的開關(guān)，無法推到“開啟”位置。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)沒有電壓，就像一個(gè)開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，被某種屏障阻止了轉(zhuǎn)到“開啟”。如果沒有量子力學(xué)的作用，這種狀態(tài)將永遠(yuǎn)保持不變。但突然間，電壓出現(xiàn)了，仿佛開關(guān)在有屏障的情況下自己翻到了“開”的位置。這就是“宏觀量子隧穿”現(xiàn)象。圖源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

然而，奇跡發(fā)生了：在沒有任何外部能量推動(dòng)的情況下，系統(tǒng)突然“隧穿”了能量壁壘，產(chǎn)生了一個(gè)可測量的電壓！這就像那個(gè)被卡住的開關(guān)，無視障礙，自己從“關(guān)閉”跳到了“開啟”。這就是實(shí)驗(yàn)的核心，宏觀量子隧穿 (macroscopic quantum tunnelling)。

物理學(xué)家早在近一個(gè)世紀(jì)前就知道，隧穿是導(dǎo)致某類核衰變（α 衰變）的關(guān)鍵機(jī)制，原子核中的微小部分“穿出”勢壘并逃逸。圖源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

不僅如此，他們還通過向系統(tǒng)發(fā)射微波，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)只能吸收特定“份量”的能量，不多也不少。這完美證實(shí)了量子世界的另一個(gè)基本特性，能量量子化 (energy quantisation)。

從原子核到薛定諤的貓Schr?dinger's Cat

量子隧穿并非全新概念。早在1928年，物理學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，放射性原子核的衰變就是一種隧穿現(xiàn)象，原子核的一部分粒子會“穿透”束縛它的能量壁壘，逃逸出來。

但這次的實(shí)驗(yàn)不同。它不是由單個(gè)粒子完成的，而是由數(shù)十億個(gè)“庫珀對”組成的集體行為。在超導(dǎo)體中，電子兩兩配對形成庫珀對，它們失去了個(gè)性，像一個(gè)紀(jì)律嚴(yán)明的舞團(tuán)，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，可以用一個(gè)共同的波函數(shù)來描述。正是這個(gè)宏觀的量子態(tài)，讓整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)得像一個(gè)巨大的量子粒子。

在普通導(dǎo)體中，電子相互碰撞；而在超導(dǎo)體中，電子成對形成“庫珀對”，電流無阻流動(dòng)。圖中的間隙表示“約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）”。庫珀對的集體行為可視為單個(gè)粒子充滿整個(gè)電路。量子力學(xué)用一個(gè)共同波函數(shù)描述這種集體現(xiàn)象。圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

理論物理學(xué)家將這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比作薛定諤那只著名的貓。在薛定諤的思想實(shí)驗(yàn)中，貓?zhí)幱凇凹人烙只睢钡牧孔盈B加態(tài)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)則在現(xiàn)實(shí)中創(chuàng)造了一個(gè)類似的東西：一個(gè)由海量粒子組成的宏觀系統(tǒng)，作為一個(gè)整體，卻遵循著微觀世界的量子規(guī)則。它雖然遠(yuǎn)比一只小貓小，但在物理學(xué)家眼中，其本質(zhì)非常接近。

克拉克、德沃雷和馬丁尼斯用超導(dǎo)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電路芯片約1厘米大小。此前隧穿與能量量子化僅在少數(shù)粒子系統(tǒng)中觀測到，而此實(shí)驗(yàn)首次在包含數(shù)十億庫珀對的宏觀系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

有什么用？量子計(jì)算機(jī)的基石

這項(xiàng)看似深?yuàn)W的發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上為未來的技術(shù)鋪平了道路。

這個(gè)宏觀量子系統(tǒng)，可以被看作一個(gè) “人造原子”。它有接口、有線路，可以被連接和控制，成為研究其他量子系統(tǒng)的強(qiáng)大工具。

更重要的是，它直接催生了量子計(jì)算的一個(gè)重要方向。Martinis 教授后來利用這項(xiàng)成果，將人造原子的最低兩個(gè)能級分別定義為 “0” 和 “1”，創(chuàng)造出了量子比特 (qubit)，量子計(jì)算機(jī)的信息基本單元。

量子系統(tǒng)的能量是離散的。能量越高，隧穿越容易；因此具有較高能量的系統(tǒng)平均“被困”時(shí)間更短。圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

如今，基于超導(dǎo)電路的量子計(jì)算機(jī)，正是全球科技巨頭和頂尖實(shí)驗(yàn)室競相研發(fā)的前沿領(lǐng)域之一。可以說，三位諾獎(jiǎng)得主的工作，不僅加深了我們對物理世界基本規(guī)律的理解，也為開啟下一次信息技術(shù)革命奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主簡介

JOHN CLARKE

1942年生于英國劍橋。1968年獲英國劍橋大學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)為美國加州大學(xué)伯克利分校教授。

MICHEL H. DEVORET

1953年生于法國巴黎。1982年獲法國巴黎第十一大學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)為美國耶魯大學(xué)及加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授。

JOHN M. MARTINIS

1958年生。1987年獲美國加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位。現(xiàn)為美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授。

參考

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/