2025 諾獎解讀：致敬量子百年！揭開宏觀世界的量子面紗

01 獲獎?wù)吖?/strong>

2025年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國物理學(xué)家約翰·克拉克（John Clarke）、法國物理學(xué)家米歇爾·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和美國物理學(xué)家約翰·M·馬丁尼斯（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”。

圖源：https://www.deccanherald.com/world/clarke-devoret-and-martinis-win-2025-nobel-prize-in-physics-3755552

02 “量子隧穿”極簡科普

每次講到量子力學(xué)的相關(guān)知識都是非常燒腦的，因為需要太多的前置知識才能聽懂個大概。這次獲獎的重點“量子隧穿（Quantum tunneling）”又是個什么玩意兒呢？通俗的說，就是那些原本不可能發(fā)生的事情，依然有很小的概率會發(fā)生。

我們把電子比喻為一個小球，小球砸向一堵墻的時候，按理說是穿不過去的，只會反彈回來。可是在神奇的量子世界，小球還是有很小的概率會穿墻而過，明明墻沒有破啊，這個電子偏偏就穿過去了。這種效果頗有點“嶗山道士穿墻術(shù)”的意思。所以才得名“量子隧穿”，或者叫“隧道效應(yīng)”。

圖源：https://www.scientificamerican.com/article/quantum-tunneling-is-not-instantaneous-physicists-show/

這個概念是1927年德國的科學(xué)家弗里德里希·洪德在研究光譜的時候提出的。這個成果發(fā)表以后，著名的科學(xué)家伽莫夫發(fā)現(xiàn)，這個理論可以用來解釋alpha衰變。比如說鈾235的原子，這個家伙很大，擁有92個質(zhì)子，143個中子。按照傳統(tǒng)的理論，這么多粒子都被牢牢的黏在一起，是比較穩(wěn)固的。可是鈾235的原子核偏偏就有一定的概率會扔出一個alpha粒子，也就是兩個質(zhì)子和兩個中子黏在一起組成的氦原子核，這個過程就叫alpha衰變（Uranium-235 alphadecay）。按理說，這些粒子根本沒這個力量脫離鈾原子核的束縛，可是人家偏偏就跑出來了。

圖源：https://wou.edu/chemistry/courses/online-chemistry-textbooks/ch103-allied-health-chemistry/ch103-chapter-3-radioactivity/

伽莫夫認(rèn)為，這種不可能的事情依然會發(fā)生，正是因為量子隧穿效應(yīng)。同樣，量子隧穿效應(yīng)也一直在太陽的核心時時刻刻發(fā)生著。我們都知道，太陽的核心里正在發(fā)生核聚變反應(yīng)。4個氫原子核聚變成一個氦原子。在地面上要想讓這個反應(yīng)發(fā)生，必須有上億度的高溫才行。才能讓帶正電的質(zhì)子克服彼此的斥力，撞在一起。可是太陽中心只有1200萬度，按理說，這個溫度差的遠(yuǎn)呢。核聚變反應(yīng)根本無法發(fā)生。可在太陽的中心，這種聚變反應(yīng)偏偏就發(fā)生了。一方面是因為太陽中心壓力極大，密度極高，粒子的碰撞概率變得很大。另外。這個過程還是和量子隧穿效應(yīng)有關(guān)。氫元素只有質(zhì)子，沒有中子。要湊出一個氦原子核，還差兩個中子呢。只能靠beta衰變，質(zhì)子扔出一個正電子和中微子，自己變成一個中子，才能湊出中子。這個beta衰變過程，還得靠量子隧穿。

圖源：https://www.researchgate.net/figure/Nuclear-fusion-reaction-in-the-Sun-Source-Thermal-Applications-of-Solar-Energy-p22_fig1_370824712

當(dāng)然，量子隧穿是小概率事件，反應(yīng)非常緩慢，溫度不夠也是另一個限制因素。這也就導(dǎo)致了我們的太陽核聚變反應(yīng)非常的溫和穩(wěn)定，可以慢慢燃燒上百億年，而不是一下子炸掉。我們?nèi)缃衲苌钤诘厍蛏希€真是托了量子隧穿效應(yīng)的福。

03 宏觀尺度下的量子特性

好啦，這些都是微觀粒子層面的量子隧穿效應(yīng)。可是這次諾獎是頒發(fā)給了“宏觀量子隧穿效應(yīng)”，這是什么意思呢？單個電子偶爾穿過障礙，這是一個粒子層面的事兒，alpha衰變的尺度就變大了，這是幾十個粒子尺度的事兒了。如果是成千上萬，甚至上億個粒子表現(xiàn)出整齊劃一的集體效果，我們應(yīng)該就可以稱為“宏觀”尺度了。當(dāng)然，這個“宏觀”只是相對而言。

大家知道超導(dǎo)體嗎？所謂導(dǎo)線之中的電流，就是一大群電子在流動。這個場景就像是一大群孩子在森林里亂逛，速度想快都快不起來。當(dāng)溫度低到一定程度，這些電子突然之間兩兩為伴，結(jié)成了電子對。而且大量電子對，手拉手肩并肩，組成了龐大而整齊劃一的隊伍。這時候它們就可以無障礙的快速通過森林，這就是所謂“超導(dǎo)體”。

這時候，一根導(dǎo)線之中的那么多電子的行為已經(jīng)高度整齊劃一，呈現(xiàn)出某種集體性的特質(zhì)。這個特性，就像是一個微觀世界的基本粒子。可以認(rèn)為，這就是一種宏觀量子現(xiàn)象。

到了上世紀(jì)的70年代，科學(xué)家們搞出了一種叫做“約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）”的器件。兩個超導(dǎo)體之間，間隔了一層薄薄的絕緣層。按理說這兩邊的電流是不通的。絕緣層再薄，它也是不導(dǎo)電的呀。可在某些情況下，居然就有電流穿過了這個不導(dǎo)電的障礙。一開始大家以為是絕緣層破了，漏電了。后來發(fā)現(xiàn)不是，絕緣層沒壞。這個現(xiàn)象的本質(zhì)依然可以算作“量子隧穿效應(yīng)”。

圖源：https://universe-review.ca/F13-atom06c.htm

那么好了，超導(dǎo)現(xiàn)象是宏觀量子現(xiàn)象，約瑟夫森效應(yīng)，就是典型的宏觀量子隧穿。也就是說，數(shù)以億計的一大群電子，像是個單個粒子一樣，整體表現(xiàn)出了量子隧穿效果。當(dāng)然啦，我們說起來簡單，其實其中的各種細(xì)節(jié)是非常復(fù)雜的。

具體到這個“約瑟夫森結(jié)”到底有什么用。可以做成磁場計，用來測量磁場，靈敏度極高。可以探測比冰箱貼磁鐵弱上億倍的磁場。這次獲獎的約翰·克拉克就在這個領(lǐng)域深耕了多年，不僅僅是提高了這類傳感器的上限，而且也大大拓展了這類器件的使用領(lǐng)域。

同樣，約瑟夫森結(jié)和量子計算的關(guān)系密切。米歇爾·德沃雷特和約翰·馬丁尼斯，都是這方面的泰斗級人物。米歇爾·德沃雷特開創(chuàng)了“電路量子電動力學(xué)”，為超導(dǎo)量子計算提供了理論和實驗框架。使得人們能夠精確地操控和測量微波光子與超導(dǎo)量子比特。為量子比特的讀取、操控以及量子糾錯奠定了基礎(chǔ)。這些工作都是超導(dǎo)量子計算的基礎(chǔ)之一。

約翰·馬丁尼斯職業(yè)生涯幾乎就是一部超導(dǎo)量子計算從實驗室概念走向工程實現(xiàn)的簡史。2019年，他作為谷歌硬件負(fù)責(zé)人，領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊研發(fā)了“懸鈴木”（Sycamore）量子計算機(jī)，首次實現(xiàn)了量子優(yōu)越性。

總而言之，三位都是牛人啊，要不然怎么得諾貝爾物理學(xué)獎呢？

04 百年征程

當(dāng)然，諾貝爾獎是出了名的滯后，這次他們獲獎的這些貢獻(xiàn)，都是在上世紀(jì)80年代做出的，那時候他們也還年輕呢，屬于同一個實驗小組。目標(biāo)就是為了證明“宏觀量子效應(yīng)”。這次他們可以平分836萬元獎金。

正因為諾獎的這種滯后性，你也不知道今年諾獎委員會到底是啥偏好，這就導(dǎo)致每次公布諾獎都像是開盲盒。

其實量子隧穿效應(yīng)在歷史上不止一次獲得諾貝爾物理學(xué)獎。比如1973年，諾獎頒發(fā)給了日本的江崎玲於奈和挪威裔美國物理學(xué)家賈埃弗，以表彰他們分別發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的隧穿現(xiàn)象，另一半授予英國物理學(xué)家布萊恩?約瑟夫森。

這個江崎玲於奈發(fā)明了“隧道二極管”，這是一種半導(dǎo)體器件，我查了一下，淘寶上20塊錢一個。這東西早就普及化了。至于這個約瑟夫森，我們已經(jīng)提到他很多次了。“約瑟夫森結(jié)”就是用他的名字命名的。他在1962年提出了理論上的可能性。

1986年，諾獎頒發(fā)給了德國物理學(xué)家格爾德?賓寧和瑞士物理學(xué)家海因里希?羅雷爾，表彰他倆發(fā)明掃描隧道顯微鏡。這個顯微鏡能看到原子級別的起伏。第三位獲獎?wù)叨魉固?魯斯卡，他發(fā)明了電子顯微鏡。

再下一次，就是今年2025年了。這一次，人家頒獎的時候開宗明義就說清楚了。今年是量子力學(xué)誕生100周年。1925年，海森堡發(fā)表矩陣力學(xué)的論文，以此為起點，算作是量子力學(xué)的誕生。這100年來，量子力學(xué)已經(jīng)完全改變了這個世界，因為半導(dǎo)體就是量子力學(xué)最典型的應(yīng)用，這個貢獻(xiàn)無論怎么評價都是不過分的。