六十多年，三代諾獎(jiǎng)得主接力，人造一個(gè)迷你版“薛定諤貓”

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撰文 |張?zhí)烊?/strong>

2025 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予了三位科學(xué)家，表彰他們“發(fā)現(xiàn)電路中的宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)和能量量子化現(xiàn)象”。這三位科學(xué)家分別是：出生于英國(guó)劍橋的約翰·克拉克（John Clarke，1942-），出生于法國(guó)巴黎的米歇爾·H·德沃雷特（Michel H Devoret，1953-），和生于美國(guó)約翰·M·馬丁尼斯（John Martinis，1958-）。得獎(jiǎng)時(shí)，三位都是美國(guó)加州大學(xué)的教授。

三位學(xué)者得諾獎(jiǎng)的工作并不是獲獎(jiǎng)近期做出來(lái)的，而是在40年前。1985年左右，他們?cè)诿绹?guó)加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)驗(yàn)室里，通過(guò)一系列開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)證明，量子世界的奇異特性可以在一個(gè)大到可以握在手中的宏觀系統(tǒng)中具體實(shí)現(xiàn)。他們的超導(dǎo)電子系統(tǒng)可以從一種狀態(tài)隧穿到另一種狀態(tài)，就像直接穿過(guò)一堵墻一樣。他們還證明了，該系統(tǒng)吸收和釋放特定大小的量子化的能量，正如量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的那樣。

此外，他們的得獎(jiǎng)工作，還與另外兩位諾貝爾物理獎(jiǎng)得主有關(guān)，可以算是站在巨人的肩上了。

01 從約瑟夫森結(jié)開(kāi)始

具體來(lái)說(shuō)，2025年諾獎(jiǎng)得主的超導(dǎo)電子系統(tǒng)之關(guān)鍵部分是約瑟夫森結(jié)，與其相關(guān)的約瑟夫森效應(yīng)，是在上世紀(jì)60年代被另一位22歲的年輕人發(fā)現(xiàn)的……。

年輕人叫布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson ，1940 年 --），是英國(guó)理論物理學(xué)家，劍橋大學(xué)物理學(xué)名譽(yù)教授。他以在超導(dǎo)和量子隧穿方面的開(kāi)創(chuàng)性工作而聞名，獲得了1973年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

約瑟夫森（1973年諾獎(jiǎng)得主）在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)

約瑟夫森出生于英國(guó)，父母都是猶太人。他讀研究生時(shí)成為劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)理論小組的成員。科研生涯盡管順利，但約瑟夫森畢竟太年輕，一旦提出什么新想法，不可能不受到物理大伽們的質(zhì)疑。在他發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)的過(guò)程中，與兩位前輩：巴丁和安德森的學(xué)術(shù)交往便頗富戲劇性。

那是1962年，那年，將在1977年獲得諾獎(jiǎng)的菲利普. 安德森39歲，在1956年和1972年獲的諾獎(jiǎng)的約翰·巴丁54歲，約瑟夫森才22歲。物理大伽和小研究生有了交集。

在一個(gè)超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中，電路被設(shè)計(jì)用來(lái)接收“普通”的隧道電流，即單個(gè)電子形成的電流，庫(kù)珀對(duì)本身似乎并不會(huì)穿過(guò)氧化物。然而，約瑟夫森卻有了一個(gè)想法，他計(jì)算庫(kù)珀對(duì)本身是否也有可能穿過(guò)氧化物屏障。通過(guò)計(jì)算，約瑟夫森發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝，似乎不太符合直覺(jué)的結(jié)果！一是即使電壓為零，也會(huì)有超電流穿過(guò)這個(gè)“結(jié)”（直流約瑟夫森效應(yīng)）；此外，一旦施加電壓，超電流就會(huì)發(fā)生振蕩（交流約瑟夫森效應(yīng)）。

這年，恰逢安德森從美國(guó)到劍橋訪問(wèn)一年，講超導(dǎo)課程。安德森當(dāng)年在固體物理界已有些名氣，約瑟夫森對(duì)他的課程感興趣而深入研究。于是，約瑟夫森向教課的安德森，展示了他用多體微觀理論得到的計(jì)算結(jié)果。安德森檢查了該理論并同意約瑟夫森的結(jié)論。

然而，美國(guó)物理學(xué)家巴丁，當(dāng)時(shí)卻反對(duì)約瑟夫森的工作，并立即提交了一篇文章，認(rèn)為“不可能存在這樣的超流體”。巴丁于1956 年1972 年，兩獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，第二次諾獎(jiǎng)就是因?yàn)樗麨榻忉尦Ｒ?guī)超導(dǎo)而建立的BCS理論。對(duì)這樣一位超導(dǎo)界的大神，約瑟夫森卻堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)，據(jù)理力爭(zhēng)，頗有“初生牛犢不怕虎”的精神，令巴丁這位權(quán)威對(duì)他幾乎也刮目相看。

不過(guò)，安德森一回到貝爾實(shí)驗(yàn)室，就聯(lián)系了另一位實(shí)驗(yàn)科學(xué)家約翰·羅威爾。他們修改了外部電路配置，并在短時(shí)間內(nèi)觀察到了超電流還提交了論文發(fā)表。約瑟夫森預(yù)言的特殊超導(dǎo)現(xiàn)象：約瑟夫森效應(yīng)被證實(shí)。

1962 年，約瑟夫森的計(jì)算結(jié)果發(fā)表在《物理快報(bào)》上，論文名字為《超導(dǎo)隧穿中可能出現(xiàn)的新效應(yīng)》。同年，他當(dāng)選為劍橋大學(xué)三一學(xué)院研究員，并于 1964 年以題為超導(dǎo)體非線性傳導(dǎo)的論文獲得博士學(xué)位。

所以，安德森教授的超導(dǎo)課，促成了約瑟夫森1973年的諾貝爾獎(jiǎng)，安德森后來(lái)（1977年）也獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。有趣的是，學(xué)生的諾獎(jiǎng)比老師的還早了4年。

約瑟夫森無(wú)疑是位物理天才，令人們遺憾的是，他發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特，但最后卻患上“諾貝爾病“。所謂“諾貝爾病”，通常用來(lái)形容諾獎(jiǎng)得主經(jīng)常出現(xiàn)的怪癖，使他們晚年追逐偽科學(xué)，或產(chǎn)生某種瘋狂的想法。從20 世紀(jì) 70 年代初開(kāi)始，約瑟夫森將注意力轉(zhuǎn)向主流科學(xué)界之外的問(wèn)題：進(jìn)行超驗(yàn)冥想，探索量子神秘主義。他開(kāi)始相信造物主的存在，認(rèn)為冥想可以帶來(lái)神秘和科學(xué)的洞察力。

約瑟夫森效應(yīng)（Josephson effect）講的是一類量子隧穿效應(yīng)。

電子的一般量子隧穿效應(yīng)在1927年就被發(fā)現(xiàn)了，喬治·伽莫夫于1928年，用量子隧穿效應(yīng)解釋原子核的阿爾法衰變。然而，而超導(dǎo)中的超電流，是成對(duì)電子（庫(kù)柏對(duì)）的無(wú)耗散流動(dòng)。約瑟夫森則經(jīng)過(guò)計(jì)算，預(yù)測(cè)到超導(dǎo)中的庫(kù)柏對(duì)能夠和普通電子那樣，產(chǎn)生量子隧穿，即約瑟夫森效應(yīng)。

約瑟夫森第一個(gè)預(yù)測(cè)到庫(kù)珀對(duì)的隧道效應(yīng)[1]。自旋電子對(duì)形成的“庫(kù)柏對(duì)”是超導(dǎo)性的來(lái)源，根據(jù)1957年巴丁等人提出的BCS理論，低溫超導(dǎo)中的電子并不是單個(gè)地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而是弱耦合穩(wěn)定地配對(duì)在一起成庫(kù)珀對(duì)。兩個(gè)配對(duì)電子的自旋，一上一下，它們的動(dòng)量也是數(shù)值相等而方向相反。兩個(gè)電子成雙成對(duì)糾結(jié)成一體，可以不受阻礙地快速移動(dòng)而形成超導(dǎo)。

因此，在約瑟夫森的預(yù)測(cè)之前，人們僅知道非超導(dǎo)狀態(tài)的電子可以借由量子隧穿效應(yīng)流過(guò)絕緣層，而真正了解到超導(dǎo)狀態(tài)下的庫(kù)柏對(duì)也有這種隧穿現(xiàn)象存在，是在約瑟夫森預(yù)言，安德森等實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后，見(jiàn)圖2。

圖2：約瑟夫森效應(yīng)

02 “迷你版”薛定諤貓的設(shè)想

約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和解釋，將量子隧穿現(xiàn)象，從單個(gè)電子的行為擴(kuò)展到了超導(dǎo)狀態(tài)下的“庫(kù)柏對(duì)”，但它仍然是單個(gè)“粒子”的微觀量子行為，從宏觀角度看，難以理解。

自量子力學(xué)誕生以來(lái)，其結(jié)論就一直挑戰(zhàn)著人們的直覺(jué)。最著名的例子是量子力學(xué)中的疊加態(tài)，人們經(jīng)常用“薛定諤貓”的思想實(shí)驗(yàn)來(lái)描述它。薛定諤的思想實(shí)驗(yàn)旨在揭示這種情形的荒謬性，比如，在原子核的衰變中，粒子處于“衰變”與“未衰變”的疊加態(tài)，如果將此與宏觀世界的物體，比如一只貓的生死聯(lián)系起來(lái)，便會(huì)有一只“既生又死”的貓。這在現(xiàn)實(shí)世界中是不可能的，我們從未見(jiàn)到過(guò)。在宏觀現(xiàn)象中，觀察不到量子疊加態(tài)和量子糾纏態(tài)，是因?yàn)楹暧^物體與周?chē)h(huán)境存在著無(wú)法避免的相互作用，這種相互作用會(huì)極快地破壞微觀的疊加態(tài)和糾纏態(tài)，人們稱之為“波函數(shù)塌縮”。

那么，如何將量子力學(xué)中的微觀現(xiàn)象與我們常見(jiàn)的宏觀現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)呢？物理學(xué)家們從未停止此類的思考。也就是說(shuō)，“薛定諤貓”的思想實(shí)驗(yàn)，用真實(shí)的貓肯定是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，不可能在實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)貓的量子特性。但能否在實(shí)驗(yàn)室里，用某種方法創(chuàng)造出一個(gè)“迷你版”的薛定諤貓呢？

圖3：安東尼·萊格特（2003年諾獎(jiǎng)得主）

這便是英國(guó)物理學(xué)家安東尼·萊格特（Anthony Leggett，1938--）當(dāng)年提出的一個(gè)大膽設(shè)想[2]。

安東尼·萊格特是量子力學(xué)領(lǐng)域的杰出物理學(xué)家，因其在超流體和超導(dǎo)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)而聞名，與他直接相關(guān)的是他在低溫物理和量子現(xiàn)象方面的研究，特別是在液體氦（超流氦）的量子行為方面。他的工作深入探究了量子態(tài)，例如超流氦的 準(zhǔn)粒子（聲子、rotons等）和與液體氦的自旋有關(guān)的量子效應(yīng)。他的研究也涉及量子自旋材料中的自旋動(dòng)力學(xué)和相關(guān)量子現(xiàn)象，特別是在材料的低溫相變中的作用。因?yàn)樗皩?duì)超導(dǎo)體和超流體理論做出的先驅(qū)性貢獻(xiàn)”，榮獲2003年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

在20世紀(jì)70年代末，他預(yù)言，在超導(dǎo)電路中，或許可以觀測(cè)到一種被稱為“宏觀量子隧穿”（Macroscopic Quantum Tunnelling, MQT）的現(xiàn)象。因?yàn)槌瑢?dǎo)電路電阻極低，它與環(huán)境的耗散耦合非常微弱，這為維持宏觀量子態(tài)提供了可能。

萊格特關(guān)于約瑟夫森結(jié)宏觀量子隧穿的構(gòu)想，為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們指明了方向。而2025年諾獎(jiǎng)得主80年代的工作，第一次實(shí)現(xiàn)了這一構(gòu)想。

03 2025年諾獎(jiǎng)得主的工作

萊格特大膽設(shè)想不容易，要真正在實(shí)驗(yàn)室里做出來(lái)，就更不容易了。不過(guò)，這在1980年代，由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的三位科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了。

約翰·克拉克生于英國(guó)劍橋。1968年在英國(guó)劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位后，在加州大學(xué)伯克利分校獲得了一個(gè)博士后研究職位，隨后擔(dān)任過(guò)助理教授（1969 年）、副教授（1971 年），以致物理學(xué)教授（1973 年至 2010 年），整個(gè)學(xué)術(shù)生涯都在伯克利大學(xué)度過(guò)。

當(dāng)時(shí)（1982 to 1984），克拉克的博士后研究員米歇爾·H·德沃雷特從法國(guó)移民到美國(guó)，加上他的來(lái)自美國(guó)的研究生約翰·M·馬丁尼斯，三人組成了一個(gè)強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)。他們的目標(biāo)就是驗(yàn)證萊格特的猜想：在一個(gè)簡(jiǎn)單的“電流偏置約瑟夫森結(jié)”系統(tǒng)中，尋找宏觀量子效應(yīng)存在的確定性證據(jù)。

這類實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)是巨大的，任何來(lái)自外界的微小噪聲都可能改變系統(tǒng)，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。

最后，他們的一系列實(shí)驗(yàn)研究頗有成效[3]。他們至少觀察到了這些電路中的兩種量子效應(yīng)：能量量子化和系統(tǒng)的宏觀量子隧穿。前者是典型的量子現(xiàn)象，意味著電路只能存在于某些離散的能量狀態(tài)，就像原子中的電子一樣，見(jiàn)圖4左下圖。后一個(gè)就更有趣了，意味著電路可以從一個(gè)狀態(tài)“跳躍”到另一個(gè)狀態(tài)，而無(wú)需跨越勢(shì)壘！這是量子隧穿的宏觀版本，有效地突破了經(jīng)典物理學(xué)中認(rèn)為不可逾越的障礙（圖4右圖）。因?yàn)樵诮?jīng)典物理學(xué)中，一個(gè)球沒(méi)有足夠的能量的話，是不可能滾過(guò)一座山的。除非山下挖有隧道，而微觀量子世界中，不用挖隧道，總有一定的概率，粒子能跳過(guò)去。克拉克三人的電路仍然可以隧穿！至關(guān)重要的是，他們的電路系統(tǒng)足夠大，已經(jīng)可以算是“宏觀” 實(shí)體，因此，他們第一次觀測(cè)到了“宏觀量子隧穿”現(xiàn)象，他們的演示有力地證明了量子力學(xué)并不僅僅局限于原子尺度。

克拉克的團(tuán)隊(duì)利用約瑟夫森結(jié)，將超導(dǎo)體的獨(dú)特特性與量子隧穿現(xiàn)象相結(jié)合，創(chuàng)建了一個(gè)表現(xiàn)出量子行為的宏觀電子電路。這個(gè)宏觀電路行為類似于單個(gè)微觀粒子。

最初，電路系統(tǒng)處于一種電流流動(dòng)而沒(méi)有任何電壓的狀態(tài)，原因是基于超導(dǎo)體的性質(zhì)：即使沒(méi)有外部電壓，電流也會(huì)在其中流動(dòng)。從經(jīng)典角度看，處于這種初始狀態(tài)的電路，猶如被困在一道無(wú)法跨越的高山下，狀態(tài)似乎無(wú)法轉(zhuǎn)換。但他們的實(shí)驗(yàn)，卻給出了奇跡般的結(jié)果：零電壓狀態(tài)可以自發(fā)地（以一定的概率），從這種初始態(tài)，躍遷到電壓不為0的狀態(tài)。換言之，電路隧穿到了另一個(gè)狀態(tài)！

量子隧穿現(xiàn)象，說(shuō)明電路處于電壓“為0”和“不為0”的兩種狀態(tài)之疊加態(tài)，它們按照一定的概率互相轉(zhuǎn)換，如同“薛定諤的貓”。

三位科學(xué)家進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，這些大量粒子的共同行為，看起來(lái)如同單個(gè)微觀粒子的量子行為。盡管這種由許多庫(kù)珀對(duì)組成的宏觀系統(tǒng)仍然比現(xiàn)實(shí)中的貓，要小很多個(gè)數(shù)量級(jí)，但對(duì)于量子物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，它與薛定諤貓的宏觀行為已經(jīng)非常相似了。

圖4：2025年諾獎(jiǎng)得主的工作 圖片來(lái)源：?瑞典皇家科學(xué)院

克拉克團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)的宏觀量子效應(yīng)，代表了應(yīng)用物理學(xué)的顯著進(jìn)步。他們的系統(tǒng)涉及大量的粒子，它們共同構(gòu)成了一個(gè)宏觀系統(tǒng)，但仍然保留著量子特性：具有量子化的能級(jí)，并且能夠從一個(gè)狀態(tài)隧穿到另一個(gè)狀態(tài)。從理論上表明了，一個(gè)由大量粒子組成的宏觀系統(tǒng)，包括流經(jīng)超導(dǎo)電路的大量電子，可以用一個(gè)波函數(shù)來(lái)描述。這個(gè)波函數(shù)決定了在特定狀態(tài)下觀察到該量子系統(tǒng)具有某些特定屬性的概率。

他們的工作在之后的幾十年里產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的應(yīng)用，例如，人們利用類似系統(tǒng)中的兩個(gè)最低能量狀態(tài)作為固態(tài)量子比特。這種超導(dǎo)量子比特電路，是目前熱門(mén)研究的量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

三位獲獎(jiǎng)?wù)咧坏募s翰·馬丁尼斯，便曾經(jīng)在谷歌從事利用超導(dǎo)量子比特構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的工作。2019 年 10 月 23 日，馬丁尼斯及其團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了一篇題為《使用可編程超導(dǎo)處理器實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)》的論文，其中他們介紹了如何使用一種量子比特的量子處理器，首次實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。

參考文獻(xiàn)：

• [1] B.D. Josephson，Possible new effects in superconductive tunnelling，Physics Letters, 1(7), 1 July, pp. 251–253，1962.
• Wikipedia：Brian Josephson，https://en.wikipedia.org/wiki/Brian_Josephson
• [2] AO Caldeira, AJ Leggett，“Influence of dissipation on quantum tunneling in macroscopic systems”，Physical review letters 46 (4), 211, 1981
• [3] John M. Martinis, Michel H. Devoret, and John Clarke，“Experimental tests for the quantum behavior of a macroscopic degree of freedom: The phase difference across a Josephson junction”，Phys. Rev. B 35, 4682 – Published 1 April, 1987