對話尹璋琦：量子力學(xué)屢受諾獎偏愛，是因為它和諾獎幾乎同時期出現(xiàn)

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第136期，對話北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心教授尹璋琦。

嘉賓簡介：

尹璋琦，北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心教授、博導(dǎo)，國家級青年人才項目入選者。研究方向包括懸浮光力學(xué)與量子精密測量、量子計算與量子模擬。

• 今年是量子力學(xué)誕生一百周年，所以頒給跟量子力學(xué)基本問題直接相關(guān)的技術(shù)或進步是很自然的選擇。

• 諾貝爾物理學(xué)獎和量子力學(xué)幾乎是同時出現(xiàn)的，這么有革命性意義的重大學(xué)科方向，自然會受到諾貝爾獎的提名。

• 我們和國外先進水平在量子力學(xué)方面的研究差距是有的，但沒有那么大。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

今年，正值量子力學(xué)誕生一百周年，諾獎委員會也趕來獻禮。

10月7日，瑞典皇家科學(xué)院決定，將2025年諾貝爾物理學(xué)獎授予約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷特（Michel H.Devoret）和約翰·馬蒂尼斯（John M.Martinis）三位量子物理學(xué)家，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)和能量量子化”。

什么是“隧穿效應(yīng)”？“能量量子化”怎么理解？為什么量子力學(xué)相關(guān)研究屢次受到諾獎的偏愛？我國在量子力學(xué)領(lǐng)域的研究與國際先進水平差距有多大？

獎項揭曉后，搜狐科技第一時間對話了尹璋琦教授，聽他深入解讀本屆諾貝爾物理學(xué)獎成果背后的量子奧秘。

以下為對話實錄（經(jīng)整理編輯）

搜狐科技：諾獎頒給了“在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化”，您的第一反應(yīng)是什么？

尹璋琦：看到頒獎人是意料之中，但獲獎題目有點意料之外。不過仔細(xì)想想好像也正常，諾獎委員會比較保守，所以會選擇這個比較安全的研究成果。

這三位獲獎人是因為40年前的工作而獲獎，第一位獲獎?wù)呤菍?dǎo)師，后面兩位當(dāng)時一個是博士后，一個是博士生。

搜狐科技：什么是“宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)”？

尹璋琦：隧穿效應(yīng)實際上微觀的，早在六七十年代我們就知道它的大致原理了。超導(dǎo)體上面有電流，但如果兩個超導(dǎo)體之間隔了很薄的絕緣層，比如只有納米量級，通常來說只要有百納米的絕緣層，電流就會被阻斷。

這樣的一個超導(dǎo)系統(tǒng)溫度又很低，熱噪聲也沒有了，所以電子在流動的時候沒有阻力，唯一只會碰到一個絕緣層作為阻礙，但這個絕緣層特別薄，所以就可以像波一樣穿透過去，這就是量子力學(xué)的隧穿效應(yīng)。

這樣的隧穿效應(yīng)會導(dǎo)致超導(dǎo)的電流自發(fā)的出現(xiàn)震蕩，這就是約瑟夫森震蕩效應(yīng)。其實早在19世紀(jì)70年代的時候這項研究就已經(jīng)拿了諾貝爾獎，今年的諾獎是在這個項目的基礎(chǔ)上進一步做的實驗。

他們構(gòu)建了一個使用超導(dǎo)電路的實驗裝置，以前隧穿效應(yīng)和能量量子化主要在僅含少數(shù)粒子的系統(tǒng)中被研究，在他們的實驗中，這些量子現(xiàn)象出現(xiàn)在一個包含數(shù)十億個庫珀對的宏觀量子系統(tǒng)中，這些庫珀對遍布整個芯片上的超導(dǎo)體。所以他們的實驗將量子效應(yīng)從微觀尺度推進到了宏觀尺度。

搜狐科技：“能量量子化”在電路里長什么樣？我們普通人能不能理解成“電爐子只能一份一份地發(fā)熱”？

尹璋琦：有點像，但不是那么的準(zhǔn)確。這個電路其實發(fā)射的是微波，所以某種意義上說像微波爐，超導(dǎo)的微波爐，它發(fā)射的超導(dǎo)頻率是固定的，有一系列不同的特征頻率，它是很特殊的，一份一份地發(fā)出微弱的電磁波。

搜狐科技：這項基礎(chǔ)科學(xué)研究，未來可能會如何改變我們的生活？

尹璋琦：其實本質(zhì)上就是想頒給量子計算機，但是諾獎委員會又怕犯錯，所以給這個40年前的基礎(chǔ)研究，它本身肯定是正確的，不會由于量子計算機做不出來而影響到研究本身。

他們的研究可以認(rèn)為是人工原子或者人工量子比特，能做出量子計算機就是因為40年前的這個很繞口的“量子力學(xué)隧穿效應(yīng)”，從這個基本的物理效應(yīng)開始研究，不斷把現(xiàn)象做扎實，把它的控制表征測量做的越來越清楚，然后用到量子計算上，今天已經(jīng)可以做到幾百個超導(dǎo)電路連成塊兒了，未來大家的目標(biāo)是做出包含成千上萬個量子比特威力強大的量子計算機。

搜狐科技：去年諾獎給了AI-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)物理，2025年又回到了量子器件，您怎么看待這種“一年工具、一年基礎(chǔ)”的交替節(jié)奏？

尹璋琦：今年倒是在預(yù)期范圍內(nèi)的，因為今年是量子力學(xué)誕生一百周年，所以給跟量子力學(xué)基本問題直接相關(guān)的技術(shù)或進步是很自然的選擇。

搜狐科技：與2012年“測量并操控單個量子系統(tǒng)”的Serge Haroche實驗相比，今年獲獎工作“升級”在哪里呢？

尹璋琦：2012年的實驗其實是定義了天然量子比特，有了那個實驗才能實現(xiàn)基于天然量子比特的量子計算，而有了今年的實驗，才能給予人工操作電路實現(xiàn)量子比特，所以一個是天然的物理系統(tǒng)，一個是人造的。但某種意義上說，都給了量子計算。

搜狐科技：諾獎設(shè)立以來，有超30次都頒給了量子力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，為什么量子力學(xué)如此受偏愛？

尹璋琦：因為諾貝爾物理學(xué)獎和量子力學(xué)或者量子理論的出現(xiàn)幾乎是同時的。1900年提出了量子理論，1925年量子力學(xué)出現(xiàn)。一個新的學(xué)科剛出來，而且是這么有革命性意義的重大的學(xué)科方向，自然會受到諾貝爾獎的提名，而且從量子理論到比較系統(tǒng)完整的量子力學(xué)，這中間還出現(xiàn)了很多新的重要貢獻。

搜狐科技：諾獎委員會說“把量子世界奇異特性放大到肉眼可見尺度”，這一句話的背后又有哪些技術(shù)突破，能不能簡單給我們講講？

尹璋琦：量子效應(yīng)很脆弱，要想在人工系統(tǒng)這種大尺度下做，首先要讓它變得相對來說壽命更長，就得放到一個比較單純的環(huán)境中，比如要先降溫，然后再把熱噪聲變沒。其次必須要選擇超導(dǎo)體，把系統(tǒng)本身的損耗降到最低。所以低溫電子學(xué)和超導(dǎo)的電子學(xué)這些技術(shù)都是必要的。當(dāng)然還有電子學(xué)器件，包括微波放大器等都要有所突破。

搜狐科技：這項獲獎成果跟“量子計算”和“量子互聯(lián)網(wǎng)”之間隔了幾步？

尹璋琦：其實隔了很遠(yuǎn)，今年諾獎給的是40年前的研究成果。四十年來，他們把這個技術(shù)發(fā)展到了極致，比如馬蒂尼斯2019年在谷歌公司工作時實現(xiàn)的量子霸權(quán)實驗，最近基于此系統(tǒng)人民也可以做量子糾錯。所以從今天來看，比如容錯的通用計算已經(jīng)非常接近了。

但我也不好得出一個具體時間表，也許五年、十年之后會有相對更加成熟，更加穩(wěn)定可靠的量子計算機出來，那從量子計算機到量子互聯(lián)網(wǎng)可能又需要一些時間和突破。

搜狐科技：目前我們和國外先進水平在量子方面的研究差距大嗎？

尹璋琦：差距是有的，但沒有那么大，我們國家在這方面的投入一直沒有斷，有十幾年了，人才團隊都在不斷地積累，從這方面講差距不大。從基礎(chǔ)研究角度可能有半年、一年的差距，主要是因為策略的問題。

我們現(xiàn)在還是“追隨型”的策略，并沒有說一定要在量子計算方面做到世界第一。美國為了實現(xiàn)世界第一，做了很多前沿探索，燒掉很多錢。我們現(xiàn)在會跟隨他們的一些公開信息，探尋可行路徑。但這也有一些漏洞和短板，因為我們會遇到一些沒有探索過的障礙，這肯定是需要堆錢和堆人的。

搜狐科技：我們在創(chuàng)新性這方面和國外的差距大嗎？

尹璋琦：我不覺得創(chuàng)新性會有太大的差距，主要是因為積累時間有限，所以團隊在梯隊力量方面是不足的。國外大概從40年前就開始做量子計算研究了，至少有兩三代學(xué)者，我們國家可能也就是從十年、二十年前才有人開始做這方面的研究，所以可能第二代年輕的學(xué)者剛剛起步。

但是現(xiàn)在年輕的學(xué)者們在思想和技術(shù)方面也都做的很好，目前這種實驗平臺、技術(shù)指標(biāo)各方面指標(biāo)也做的很不錯，有這些實驗的支撐，相應(yīng)的新思想和新理論也會慢慢出現(xiàn)。

搜狐科技：量子計算機成熟后，我們的微信密碼還安全嗎？現(xiàn)在需要開始“抗量子加密”嗎？

尹璋琦：在“抗量子密碼”方面我我們國家已經(jīng)在布局了，其實不光是我國，全世界各國政府都在布局。所以邏輯上是有備無患的，但這并不是說現(xiàn)在量子計算機就已經(jīng)成熟，就已經(jīng)能夠攻破公共密鑰密碼系統(tǒng)了，它展望的是未來十年、二十年，或三十年的時間。

如果有突破的話，需要在突破之前把整個密碼進行更換，因為當(dāng)代的生活是構(gòu)建在這樣一個密碼系統(tǒng)協(xié)議支撐下的，沒有密碼系統(tǒng)協(xié)議的支撐，整個信息網(wǎng)絡(luò)社會是無法交互、無法信任的。

現(xiàn)在無論是技術(shù)研究還是一些小型的應(yīng)用示范都開始做了，等到了一定的時間節(jié)點，可能會通過立法或制定標(biāo)準(zhǔn)等方式，把微信密碼或者是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的整個系統(tǒng)進行調(diào)整。

搜狐科技：您對有志于加入量子力學(xué)研究的年輕人，有什么寄語？

尹璋琦：現(xiàn)在的研究環(huán)境比當(dāng)年更好了，今天學(xué)習(xí)新的知識，特別像量子計算、量子信息這樣高度交叉的研究領(lǐng)域，我們有人工智能、大模型各方面的工具來支撐，所以會學(xué)的更快，你進入到這個領(lǐng)域，發(fā)揮自己的聰明才智會更加順滑。如果覺得這個方向有趣，就可以研究看看。

運營編輯 |曹倩審核｜孟莎莎