諾貝爾物理學獎：三位科學家因量子力學貢獻獲得

北京時間 10 月 7 日，瑞典皇家科學院發布公告，將 2025 年諾貝爾物理學獎授予英國裔美國科學家約翰?克拉克（John Clarke）、法國裔加拿大科學家米歇爾?H?德沃雷特（Michel H. Devoret）與美國科學家約翰?M?馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們 “在宏觀尺度下實現量子隧穿效應的精準觀測與定量研究” 的突破性貢獻。

這一成果通過厘米級超導芯片系統，首次在包含數十億粒子的宏觀體系中，驗證了量子力學對 “隧穿現象” 的預測，為宏觀量子物理研究奠定實驗基礎。

獲獎者與核心實驗：從理論構想至實驗驗證

三位獲獎者的合作始于 1984-1985 年的加州大學伯克利分校低溫物理實驗室。

其中，出生于 1942 年的約翰?克拉克（現任伯克利分校榮譽退休教授）是宏觀量子隧穿研究的開拓者，早在 1970 年代便提出 “利用超導系統觀測宏觀量子效應” 的理論框架。

1953 年出生的米歇爾?H?德沃雷特（耶魯大學應用物理學與物理學教授）主導了實驗裝置的超導電路設計。

1958 年出生的約翰?M?馬丁尼斯（加州大學圣塔芭芭拉分校榮譽退休教授）則攻克了超低溫環境下的信號探測技術難題，三人形成 “理論 - 設計 - 探測” 的完整研究閉環。

他們的核心實驗基于超導量子干涉裝置（SQUID）原理：將兩層鋁制超導體（臨界溫度 1.175K）用厚度僅 5 納米的氧化鋁絕緣薄膜隔開，形成 “超導 - 絕緣 - 超導”（SIS）隧道結結構。在 10 毫開爾文（約 - 273.14℃，接近絕對零度）的超低溫環境中，超導體中的電子會兩兩結合形成 “庫珀對”（Cooper pair）—— 這種由電子 - 聲子相互作用形成的準粒子，會喪失個體運動隨機性，呈現宏觀尺度的量子相干性。當實驗團隊向電路注入 10-100 納安的微弱電流時，庫珀對受絕緣層勢壘限制，系統處于零電壓的 “量子束縛態”；當通過微波場調控系統能量時，庫珀對可通過量子隧穿效應穿越勢壘，使電路產生可精確測量的電壓跳變（約 20-50 微伏），且隧穿概率與微波頻率滿足量子力學的玻爾頻率條件（ΔE=?ω）。

從微觀到宏觀：量子隧穿研究的百年突破

量子隧穿效應的理論雛形可追溯至 1927 年，物理學家弗里茨?倫敦（Fritz London）首次提出 “粒子可能穿越經典物理無法逾越的勢壘”；1928 年，喬治?伽莫夫（George Gamow）用隧穿理論解釋了 α 衰變現象，驗證了微觀粒子（如質子、電子）的隧穿行為。

但在此后近百年間，所有實驗觀測均局限于單粒子或少數粒子體系，宏觀體系（包含大量粒子）是否遵循量子隧穿規律，始終是量子物理領域的核心爭議 —— 經典物理認為，宏觀物體因粒子熱運動的隨機性，會破壞量子相干性，無法呈現隧穿效應。

三位獲獎者的突破在于實現 “尺度與精度的雙重跨越”：一方面，實驗系統包含約 1012 個庫珀對，屬于典型的宏觀體系（尺寸約 1 平方厘米），遠超傳統微觀量子系統的粒子數量級；另一方面，他們通過低溫降噪技術（10 毫開爾文環境下熱噪聲低于 10?21 瓦 / 赫茲）和高頻探測電路（響應帶寬 1-10 吉赫茲），首次定量測量了宏觀體系的隧穿概率隨勢壘高度、溫度、微波頻率的變化規律，實驗數據與 1980 年安東尼?萊格特（Anthony Leggett，2003 年諾貝爾物理學獎得主）提出的 “宏觀量子隧穿理論” 預測完全吻合，證實了宏觀體系在極低溫下可保持量子相干性。

科學意義：從基礎研究到技術革命

瑞典皇家科學院在頒獎詞中強調，該成果的核心價值體現在兩方面：其一，在基礎物理層面，它驗證了量子力學可適用于宏觀尺度，為解決 “量子 - 經典邊界” 這一世紀難題提供了實驗證據 —— 此前薛定諤提出 “薛定諤的貓” 思想實驗，質疑宏觀物體能否處于量子疊加態，而該實驗雖未實現 “貓態”，但證明宏觀體系可呈現量子隧穿這一典型量子行為，為后續研究提供了范式；其二，在技術應用層面，實驗構建的 “宏觀量子比特”（基于超導隧道結），兼具量子相干性與宏觀可操控性，成為當前量子計算、量子傳感領域的核心器件原型 —— 目前谷歌、IBM 等企業研發的超導量子計算機，其核心芯片的設計原理均源于該實驗的技術路線。

此次諾貝爾物理學獎獎金為 1100 萬瑞典克朗（按 2025 年 10 月匯率約合 760 萬元人民幣），由三位獲獎者按 4:3:3 比例分配，以認可他們在不同研究階段的貢獻。正如諾貝爾物理學委員會主席奧拉夫?卡爾森（Olav Kj?r）所言：“從 1925 年量子力學奠基，到 2025 年宏觀量子效應的精準觀測，人類用百年時間證明：量子世界的規律，比我們想象的更具普適性。”

你若喜歡，點個贊吧↓↓↓