他們開啟了量子技術(shù)走向普惠的新時代| 2025諾貝爾物理學獎揭曉

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2025年10月7日，諾貝爾物理學獎授予三位在量子力學領(lǐng)域作出卓越貢獻的科學家：約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和約翰·M·馬丁尼斯（John M. Martinis）。

一個展現(xiàn)出量子力學效應(yīng)的系統(tǒng)，其尺寸最大能大到多少？達得到肉眼可見的規(guī)模嗎？這是量子物理學界探索的重大課題之一。今年的三位獲獎人在一塊1厘米見方的芯片上進行超導電路實驗，揭示了宏觀尺度系統(tǒng)中的量子力學隧穿效應(yīng)和能量量子化現(xiàn)象。

他們的研究成果為發(fā)展下一代量子技術(shù)，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器等，提供了無限可能。

當你把網(wǎng)球砸向墻壁，它一定會彈回來——這是宏觀世界里再正常不過的常識。但在微觀的量子世界，粒子卻能像變魔術(shù)般直接“穿過”墻壁，這種現(xiàn)象被稱為“量子隧穿”。長久以來，物理學家都認為這種“魔法”只屬于微小的粒子，一旦涉及大量粒子組成的宏觀物體，量子效應(yīng)就會消失。

然而，2025年諾貝爾物理學獎揭曉，三位美國科學家——加州大學伯克利分校的約翰?克拉克、耶魯大學與加州大學圣塔芭芭拉分校的麥克?H?德沃雷特、加州大學圣塔芭芭拉分校的約翰?M?馬丁尼斯，用一個手能握住的電路裝置，打破了這個認知邊界。他們因“發(fā)現(xiàn)電路中的宏觀量子隧穿與能量量子化現(xiàn)象”獲此殊榮，讓量子世界的怪異法則第一次清晰地呈現(xiàn)在宏觀尺度上。

量子世界的“反常識”法則

要理解這項獲獎成果，我們得先摸清量子世界的兩個核心“規(guī)矩”，它們和我們?nèi)粘ＵJ知截然不同。

其一，量子隧穿：粒子的“穿墻術(shù)”

在生活中，只要墻壁足夠高，沒有足夠能量的人就爬不過去。但量子世界的粒子不一樣，即使能量不足，它們也有一定概率直接“穿過”障礙，就像在墻上憑空開出了一條隧道。這種現(xiàn)象并非理論幻想，1928年物理學家喬治?伽莫夫（George Gamow）就發(fā)現(xiàn)，某些原子核的衰變正是源于粒子的隧穿效應(yīng)——原子核內(nèi)的粒子能突破核力屏障逃逸出來，變成另一種元素的原子核。

不過，隧穿效應(yīng)此前只在單個粒子上被觀測到，大量粒子組成的宏觀物體從未表現(xiàn)出這種特性。畢竟沒人見過網(wǎng)球能穿過墻壁，更別說一只貓了。

其二，能量量子化：能量的“階梯式”傳遞

量子世界的能量不是連續(xù)流動的，而是像階梯一樣分成一個個獨立的“能量包”（即“量子”）。就像你上樓梯只能一級級走，粒子吸收或釋放能量也只能按固定的“能量級”進行，不能停在兩級之間。我們身邊的晶體管、激光器等技術(shù)，本質(zhì)上都利用了微觀世界的能量量子化特性。

如果沒有能級量子化，固體中電子的能量是連續(xù)的，就不會產(chǎn)生半導體中能帶、禁帶的概念和性質(zhì)，更談不上晶體管等半導體器件的發(fā)展；如果能級是連續(xù)的，也不存在“E?-E?”的固定能量差，無法觸發(fā)定向的受激輻射，激光器則無法實現(xiàn)。

獲獎實驗：讓億萬個粒子“同步跳一支舞”

三位獲獎?wù)咚l(fā)現(xiàn)突破的關(guān)鍵在于，他們創(chuàng)造了一個能讓億萬個粒子“集體聽話”的特殊電路，把微觀量子效應(yīng)放大到了可觸摸的尺度。

超導體與約瑟夫森結(jié)

實驗的核心是兩種關(guān)鍵技術(shù)。

第一種是超導體——某些材料在極低溫下會失去電阻，電流能毫無損耗地流動。這時材料中的電子會兩兩配對形成“庫珀對”[以1972年諾貝爾物理學獎得主萊昂?庫珀（Leon Cooper）命名，他與約翰·巴丁（John Bardeen）、羅伯特?施里弗（Robert Schrieffer）共同解釋了超導原理]，就像跳雙人舞的搭檔，原本各自獨立的電子突然變得步調(diào)一致。

通常，宏觀經(jīng)典世界由微觀量子物質(zhì)構(gòu)成，由于大量粒子的熱漲落會將量子效應(yīng)平均化，因此在宏觀尺度上通常無法觀測到量子效應(yīng)。但對于超導體而言，其在低溫下的熱漲落極小，且所有庫珀對會形成宏觀波函數(shù)，因此我們能在由超導體構(gòu)成的電路中觀測到量子能級。

第二種是約瑟夫森結(jié)——把兩個超導體用一層極薄的絕緣材料隔開，就像在兩個“電子舞池”之間加了一道薄墻。這種結(jié)構(gòu)由物理學家布萊恩?約瑟夫森（Brian Josephson）發(fā)現(xiàn)（他因此獲1973年諾貝爾物理學獎），能精準探測量子現(xiàn)象，早已用于測量基本物理常數(shù)和磁場。

普通超導線路構(gòu)建的線性能級梯中，各能級間距相等，控制能級時，我們無法確保電路僅發(fā)生從“0”到“1”的躍遷，而不出現(xiàn)從“1”到“2”的躍遷。通過約瑟夫森結(jié)可以構(gòu)建非線性振蕩器，其能級間距隨能量變化而改變（非均勻），可避免經(jīng)典控制時對無關(guān)能級躍遷的干擾，因此成為構(gòu)建實用量子計算電路的重要組件。

宏觀量子隧穿的誕生

1984~1985年，克拉克、德沃雷特和馬丁尼斯在加州大學伯克利分校的實驗室里，用這些材料搭建了一個特殊電路。他們把電路冷卻到極低溫度，這時神奇的事情發(fā)生了：電路里的所有庫珀對仿佛融合成了一個“巨人粒子”，整個電路變成了一個統(tǒng)一的量子系統(tǒng)，而不是無數(shù)獨立粒子的集合。

這個“巨人粒子”一開始被困在“零電壓狀態(tài)”——電流順暢流動卻沒有電壓產(chǎn)生，就像被關(guān)在一個能量牢籠里。從經(jīng)典物理角度看，它沒有足夠能量突破牢籠，但量子隧穿效應(yīng)讓它實現(xiàn)了“越獄”：突然有一天，電路里憑空出現(xiàn)了電壓，說明這個宏觀系統(tǒng)通過隧穿效應(yīng)逃出了零電壓狀態(tài)。

為了證實這不是偶然，他們像測量原子核半衰期那樣做了大量統(tǒng)計：雖然無法預(yù)測單個電路隧穿的時間，但觀察大量相同電路后，能清晰算出零電壓狀態(tài)的平均持續(xù)時間，完美符合量子力學的預(yù)測。

更關(guān)鍵的是，他們還觀測到了能量量子化的宏觀表現(xiàn)：向電路注入不同波長的微波時，只有特定波長的微波會被吸收，讓系統(tǒng)跳到更高的能量級，就像宏觀系統(tǒng)在“爬能量階梯”。這直接證明，這個手能握住的電路確實在遵循量子法則運行。

連接量子理論與現(xiàn)實世界的橋梁

這項40年前的實驗，直到今天才獲諾貝爾獎，恰恰因為它解決了物理學界一個百年難題：量子力學的適用邊界到底在哪里？

給“薛定諤的貓”一個現(xiàn)實答案

物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger，1933年諾貝爾物理學獎得主）曾提出一個著名思想實驗：如果一只貓被關(guān)在含量子裝置的盒子里，根據(jù)量子力學，貓會處于“既死又活”的疊加態(tài)，直到被觀察才確定狀態(tài)。這個實驗原本是為了凸顯量子效應(yīng)在宏觀世界的“荒謬性”——畢竟現(xiàn)實中不會有這種貓。

但三位獲獎?wù)叩膶嶒灲o出了新答案：他們的電路系統(tǒng)由億萬個粒子組成，已經(jīng)屬于宏觀范疇，卻能表現(xiàn)出純粹的量子特性。正如諾貝爾物理學獎得主安東尼·萊格特（Anthony Leggett，2003年獲獎）所言，這個系統(tǒng)雖然比貓小得多，但本質(zhì)上是“薛定諤的貓”的現(xiàn)實版，證明量子法則并非微觀世界的“專屬特權(quán)”。

量子技術(shù)的“奠基石”：從理論到應(yīng)用

這項發(fā)現(xiàn)更為下一代量子技術(shù)鋪平了道路。馬丁尼斯后來就利用實驗中發(fā)現(xiàn)的能量量子化特性，開發(fā)了超導量子比特——把電路的不同能量級當作0和1，用來存儲量子信息。

如今超導電路已是量子計算機最有前景的技術(shù)路線之一，而量子加密、超高精度量子傳感器等前沿領(lǐng)域，也都得益于這種“宏觀量子系統(tǒng)”的研究。

諾貝爾物理學獎委員會主席奧勒·埃里克森（Olle Eriksson）指出：“百年歷史的量子力學仍在不斷帶來驚喜，它不僅是所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)，更在孕育下一代科技革命?！?/p>

量子世界離我們越來越近

回溯近些年諾貝爾物理學獎，量子領(lǐng)域的突破性成果屢獲認可：2012 年，獎項授予在離子阱系統(tǒng)和里德堡原子系統(tǒng)中實現(xiàn)量子態(tài)操控的研究；2022 年，表彰了在光子量子糾纏操控方面的貢獻；2025 年，則認可了 “發(fā)現(xiàn)電路中的宏觀量子隧穿與能量量子化現(xiàn)象” 的成果。

這些諾獎級科學發(fā)現(xiàn)，如同在微觀量子世界和宏觀現(xiàn)實之間架起的一座座橋梁。它們逐步證明，量子效應(yīng)并非僅存在于遙遠實驗室的奇觀，而是能夠被人類掌控、放大并運用的技術(shù)原理。

基于這些發(fā)現(xiàn)，能破解復(fù)雜密碼的量子計算機、可探測人體微小病變的量子傳感器等量子技術(shù)，正朝著走進人類生活的方向推進。未來回望這些諾貝爾物理學獎?wù)J可的成果，便會清晰看到，正是這些研究為人類開啟了量子技術(shù)普惠的新時代。

-感謝上海交通大學物理與天文學院唐豪教授審讀和補充-

參考資料：

《世界科學》王小科帶你一起趣味了解2025年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎

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