量子力學的邊界：一百年的追問與回答

10.31???????

知識分子

The Intellectual

圖源：Unsplash/FlyD

撰文 | 王之鑫

● ● ●

2025年適逢量子力學創(chuàng)立一百周年，諾貝爾物理學獎也授予了在人造電路中率先發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學現(xiàn)象的三位物理學家——約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷 （Michel H. Devoret）、約翰·馬蒂尼斯（John M. Martinis）。這是諾貝爾物理學獎在繼2012年與2022年后再次表彰當代量子物理前沿領(lǐng)域的奠基性實驗工作。

01

量子物理與量子機器

在人們的通常概念中，量子力學是微觀物質(zhì)世界的物理理論，主要適用于描述原子、分子和亞原子基本粒子的運動規(guī)律。自上世紀以來，量子物理的科學成果衍生出了廣泛而深刻的實際應(yīng)用——包括精密測量、激光技術(shù)、醫(yī)學成像以及基于半導體器件和集成電路的現(xiàn)代計算機與電子信息系統(tǒng)。

然而迄今為止，科學家與工程師們對量子物理許多細節(jié)規(guī)律的認識依然有限。這其中一個不容忽視的原因是——微觀粒子的極小尺度為量子力學的實驗與應(yīng)用帶來了天然的挑戰(zhàn)。

二十世紀后期，世界各地的物理學家陸續(xù)開始在特殊實驗條件下直接研究單個微觀粒子（比如原子或光子）并控制、測量它們的量子力學行為。由此產(chǎn)生一系列重要進展開啟了一個如今被稱為量子工程的新興研究領(lǐng)域。

量子工程的核心方法是在人造系統(tǒng)或環(huán)境中進行高度可控的量子物理實驗，從而追求對量子力學基本規(guī)律的深入理解，并積累更具突破意義的技術(shù)發(fā)明。這中間一個備受關(guān)注的研究方向是量子信息處理，其目標在于利用量子力學原理（比如物體同一時刻能夠處于不同經(jīng)典狀態(tài)的量子疊加、多個物體之間允許存在超越經(jīng)典關(guān)聯(lián)的量子糾纏等等）對信息進行編碼、運算、傳輸、檢測等操作。與傳統(tǒng)的電子信息技術(shù)相比，量子信息系統(tǒng)在面對計算、模擬、加密、傳感等領(lǐng)域的某些特定任務(wù)時會具備理論上不同程度的性能、效率或安全優(yōu)勢。

但是在現(xiàn)實中，實現(xiàn)這類擁有特殊信息處理功能的量子機器難度極大——它要求科學家必須掌握高度可靠、可控并同時能在復雜的人造實驗環(huán)境下保持量子力學特性的物理元件；換言之，我們需要嘗試挑戰(zhàn)自然規(guī)律表面上的尺度界限，讓原本屬于微觀世界的量子物理定律顯現(xiàn)于宏觀規(guī)模的工程系統(tǒng)中。

這樣的「宏觀量子機器」有可能存在嗎？如果可能，它會有怎樣的具體原理與結(jié)構(gòu)呢？

02

宏觀超導量子電路

1985 年 10 月，彼時正于加州大學伯克利分校工作的三位年輕科學家（也是今年的三位諾貝爾物理學獎得主）發(fā)表了一組極具開創(chuàng)性研究結(jié)果——通過嚴格實驗，他們在超導電路中首次發(fā)現(xiàn)了遵循量子力學定律的宏觀物理變量。

超導是一種物質(zhì)在低溫或高壓下的特殊狀態(tài)，它最為人熟知的性質(zhì)是「消失」的直流電阻。在超導體中，原本獨立運動的電子兩兩結(jié)合成為庫珀對 (Cooper pair)，它們是超導電流的微觀載體；數(shù)以億萬計的庫珀對會凝聚于一個宏觀基態(tài)，其波函數(shù)擁有一個相位變量，能夠描述大量庫珀對的集體運動。

在日常經(jīng)驗里，我們對這種表現(xiàn)微觀粒子集體運動的宏觀變量其實并不陌生。一個簡單的例子是質(zhì)心運動——小球、擺錘之類的宏觀物體都由微觀尺度的原子組成；但在許多經(jīng)典力學問題中，人們往往只關(guān)心物體質(zhì)心所代表的原子集體運動模式，而不會追蹤每個原子的單獨軌跡或者眾多原子之間的相對移動。因此在直觀上，庫珀對凝聚體的相位變量可以類比于小球或擺錘的質(zhì)心坐標——二者本質(zhì)皆為大量微觀粒子集體行為的宏觀表述。

為了觀察驗證超導相位變量的宏觀量子特性，三位科學家選擇使用了一種叫做約瑟夫森結(jié) (Josephson junction) 的電路元件——它由兩側(cè)的超導體和中間一層納米厚度的絕緣體組成；由于庫珀對的量子隧穿效應(yīng)，約瑟夫森結(jié)不僅能夠傳導超導電流，還可以產(chǎn)生可控的非線性電壓—電流關(guān)系——這是能在宏觀尺度檢驗量子力學的關(guān)鍵。

在實驗中，三人小組通過仔細設(shè)計的濾波電路將一個電流偏置的約瑟夫森結(jié)與周邊電磁環(huán)境盡量隔離，并借助稀釋制冷技術(shù)使其處于極低溫下（最低可低于 ?273.13 °C 或者絕對零度以上 0.02 攝氏度）。他們清晰地測量到了約瑟夫森結(jié)兩側(cè)規(guī)范不變相位差的宏觀量子隧穿或逃逸現(xiàn)象——通俗地說，就是量子力學允許物體無需越過運動路徑上勢能的最高點即可出現(xiàn)在其另一側(cè)。需要特別注意的是：這種宏觀量子隧穿與前段提到的庫珀對穿過約瑟夫森結(jié)中間的絕緣薄層是兩個截然不同的物理過程——后者是納米尺度的微觀量子現(xiàn)象，而前者則是宏觀物理變量（運動自由度）的量子行為。

電流偏置約瑟夫森結(jié)的等效勢能圖示：在超導狀態(tài)下，系統(tǒng)的動力學可用相位變量差φ的一維宏觀運動描述。藍色實線軌跡 (C) 對應(yīng)經(jīng)典物理規(guī)律下的「逃逸」路徑——物體必須有足夠的能量越過藍色虛線位置所示的勢能最高點；但即使物體能量不足以越過勢壘，紅色虛線指代的宏觀量子隧穿過程 (Q) 仍然可以發(fā)生。在現(xiàn)實中，觀察到明顯的宏觀量子隧穿現(xiàn)象所需要的實驗溫度通常遠低于電路材料自身的超導臨界溫度。

電流偏置約瑟夫森結(jié)的等價宏觀力學模型：圓形單擺相對于豎直位置的夾角 φ 對應(yīng)約瑟夫森結(jié)兩側(cè)的相位變量差；另一塊方形重物通過細繩纏繞懸掛在擺軸上，代表外加偏置電流對系統(tǒng)能量的影響；藍色實線 (C) 與紅色虛線 (Q) 分別指代單擺順時針擺至平面右側(cè)的經(jīng)典力學軌跡與量子隧穿過程。上下兩圖中以相同記號標注的物體勢能局部最低點（黑色實線）、局部最高點（藍色虛線）和逃逸后位置（黑色虛線）逐一對應(yīng)——它們是同一物理模型的不同直觀圖像展示。

受原子光譜測量的啟發(fā)，三位科學家還用頻率接近當今無線網(wǎng)絡(luò) (Wi-Fi) 信號的微波電磁輻射來激發(fā)實驗電路，結(jié)果如預(yù)期觀測到了分立的量子化能級——這也通常是原子、分子等微觀粒子才具有的量子物理特征。這組實驗所使用的超導量子電路于是成為了最早的人造原子——它既是通過工程方法設(shè)計與制造的宏觀器件，卻又與天然原子一樣嚴格遵守量子力學規(guī)律。經(jīng)典與量子世界之間的一個重要尺度邊界從此被打破。

03

人造原子與量子計算

超導人造原子的發(fā)明對此后量子物理與技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。在基礎(chǔ)科學意義上，它證實了支配微觀粒子的量子力學定律同樣適用于人造系統(tǒng)中的宏觀變量。與此同時，宏觀量子電路的成功實驗也為科學家實現(xiàn)構(gòu)想中的復雜量子機器提供了全新的方案——除了天然的原子或光子，量子機器的組成單元還可以是與傳統(tǒng)集成電路形態(tài)類似的固體器件，而后者由于靈活的參數(shù)設(shè)計和與現(xiàn)代工程技術(shù)的良好兼容為實驗與理論研究提供了廣闊的探索空間。

自上世紀九十年代起，世界范圍內(nèi)越來越多的實驗室（包括三位諾貝爾獎得主各自領(lǐng)導的研究組）開始以超導量子電路為基礎(chǔ)嘗試構(gòu)建量子計算機的實驗?zāi)Ｐ停⑷〉昧嗽S多令人振奮的研究突破。組成這些「量子芯片」的基本物理元件是超導量子比特——每個超導量子比特都包含一個或多個約瑟夫森結(jié)，其本質(zhì)是構(gòu)型更復雜、量子特征更顯著的人造原子。截至目前，科學家已經(jīng)可以在實驗中快速、精確地實現(xiàn)超導量子比特的狀態(tài)預(yù)設(shè)、邏輯控制、遠程糾纏、非破壞測量以及簡單的量子邏輯編碼與糾錯，并能用其執(zhí)行一些最初級的量子計算與模擬任務(wù)；但是這些人造量子電路的進一步性能提升和系統(tǒng)集成仍然面臨巨大的原理與技術(shù)挑戰(zhàn)。

作者注：本文由「正文」與「后記」兩部分組成——其中正文為 2025 年諾貝爾物理學獎的通俗科普（英文版已于加州大學圣巴巴拉分校的合作媒體平臺 The Conversation 在線發(fā)表）；后記部分則通過原始文獻與口述歷史對此次獲獎工作的歷史意義和現(xiàn)實影響稍作探討。讀者可根據(jù)興趣選擇閱讀其中的部分或全部內(nèi)容。

04

后記：量子力學的未知邊界

二十世紀初，物理學經(jīng)歷了自近代以來最為深刻的概念與理論革命——相對論與量子力學的建立開啟了人類認識自然基本規(guī)律的新紀元。特別是以違反直覺著稱的量子力學因其對微觀粒子運動強大的解釋與預(yù)測能力成為了現(xiàn)代物理學最重要的基石。

時至二戰(zhàn)前后，量子力學的理論框架已趨于成熟；它在物理學的各個分支（例如原子物理、固體物理、核物理、粒子物理等）以及化學與工程學科中的具體應(yīng)用也愈發(fā)廣泛，并直接催生了包括半導體晶體管在內(nèi)的諸多重要技術(shù)發(fā)明。不過與此同時，于實踐層面極其成功的量子力學卻一直存在若干懸而未決的基本理論問題，其中之一便是——

量子力學的適用范圍究竟是什么？或者說，量子物理與經(jīng)典物理的具體邊界到底在哪里？

一個清晰、明確的適用范圍是任何科學理論得以有效的必要前提。然而時至今日，科學家對于量子力學適用邊界的認知依然相當模糊：在小規(guī)模的微觀粒子體系及其簡單累積產(chǎn)生的一些宏觀物理現(xiàn)象（比如材料的理化性質(zhì)）中，量子力學毫無疑問是成立的；但是我們?nèi)粘＝佑|的宏觀物體則從未直接表現(xiàn)出宏觀尺度上的量子行為。換言之，在分別以「原子、電子、光子」和「小球、鐘擺、生物」為代表的兩個物質(zhì)世界之間存在一條「量子」與「經(jīng)典」的分界線，可它的準確定義與理解自量子力學誕生之初就一直困擾著物理學家們。

與現(xiàn)代物理學的其它主要理論成就對比，量子力學「適用范圍不明」的問題顯得尤其突出。相比之下，相對論在很大程度上可被視為經(jīng)典力學在高速運動與強引力情形下的修正（最淺顯的例子是，狹義相對論的基本公式都可以在物體運動速度遠小于光速的低速極限下自然過渡到熟悉的牛頓力學形式）；可是量子現(xiàn)象與理論的許多本質(zhì)特征——包括但不限于波粒二象性 (wave–particle duality)、非連續(xù)性 (discontinuity)、不確定性 (uncertainty)、非定域性 (nonlocality) 等等——都不存在經(jīng)典世界的直接對應(yīng)。如果簡短總結(jié)，我們只能籠統(tǒng)地說量子力學會在物質(zhì)體系的作用量 (action) 接近普朗克常數(shù)量級時得到顯著表現(xiàn)，而對物體的尺寸、重量、粒子數(shù)、復雜度等屬性都沒有內(nèi)在要求。

那么，量子力學有可能也適用于宏觀世界嗎？1935 年，Erwin Schr?dinger 提出了著名的貓佯謬 (cat paradox)，用近乎詼諧的方式展示了將量子理論簡單推廣至宏觀物體乃至高等生物后會導致的荒謬結(jié)果。讓一只貓?zhí)幱谏c死兩種狀態(tài)的量子疊加顯然是不現(xiàn)實的；但另一方面，Schr?dinger 的思想實驗（及其各種衍生版本）卻吸引了一些物理學家去尺度遠大于原子、分子的系統(tǒng)中探尋量子力學的蹤跡。

上世紀中葉，科學家尋找「薛定諤貓」的努力開始取得一些進展——人們在超導體 (superconductor)、超流體 (superfluid) 等低溫下的特殊物質(zhì)狀態(tài)中觀察到了諸如磁通量子化 (flux quantization) 等宏觀量子現(xiàn)象。如正文中解釋，這些效應(yīng)起源于超導與超流體中大量微觀粒子凝聚形成的宏觀基態(tài)。那我們能否由此宣稱量子力學在宏觀尺度必定成立呢？

七十年代末至八十年代，彼時已因解釋 3He 超流現(xiàn)象而聞名學界（并后來因此獲得 2003 年諾貝爾物理學獎）的理論物理學家 Anthony Leggett 在一系列報告與論文 [Leggett, 1978; 1980; 1984a; 1984b; 1987] 中提出了一個犀利而深刻的觀點：他認為此前人們在超導、超流等體系中發(fā)現(xiàn)的所謂「宏觀量子現(xiàn)象」與真正意義上的宏觀量子力學存在本質(zhì)區(qū)別——前者僅是微觀量子物理機制的宏觀累積，而后者的確鑿驗證需要在具體實驗中觀測到一個宏觀物理變量無歧義的量子力學行為——例如宏觀量子隧穿 (macroscopic quantum tunneling) 或者宏觀量子相干 (macroscopic quantum coherence)。

[...] 超流體系中的現(xiàn)象通常被引作量子力學在宏觀尺度上的成立證據(jù)，但其本身并不需要引入高度不連通 (disconnectivity) 的量子態(tài)。換言之，標準量子力學語言解釋這些現(xiàn)象時只要求薛定諤方程能正確預(yù)測單粒子和雙粒子關(guān)聯(lián)函數(shù)，并不需要它能正確預(yù)測多粒子關(guān)聯(lián)——除非多粒子關(guān)聯(lián)能夠分解為單粒子與雙粒子關(guān)聯(lián)。 [Leggett, 1980]

[...] 從原則上說，我們有可能觀測到對應(yīng)不同宏觀屬性的量子態(tài)的疊加結(jié)果嗎？[...] 討論這個問題最便捷的方法 [...] 是引入宏觀變量的概念——即該變量的「顯著」不同數(shù)值對應(yīng)系統(tǒng)可以在宏觀尺度上明確區(qū)分的狀態(tài)——然后進一步探究對此類變量動力學的量子力學描述若要產(chǎn)生明顯區(qū)別于經(jīng)典描述的結(jié)果需要滿足哪些必要條件。[Leggett, 1984a]

在這些文章中，身為理論學者的 Leggett 還為自己的實驗同行給出了準確的方向性建議——他認為滿足量子力學規(guī)律的宏觀變量最有希望在包含約瑟夫森結(jié)的超導電路中被首先發(fā)現(xiàn)。

Leggett 的新穎提議引起了當時任教于加州大學伯克利分校的 John Clarke 及其實驗室博士后 Michel Devoret 和博士生 John Martinis 的極大興趣。Clarke 的研究組在超導約瑟夫森電路的制備與測量方面有豐富的經(jīng)驗，而彼時剛從法國取得博士學位的 Devoret 則帶來了此前于低溫核磁共振研究中積累的稀釋制冷與微波電子學技術(shù)。三人當即決定在伯克利的實驗室開始這項令人期待的研究。

首先，三位科學家選擇了一個與 Leggett 的最初設(shè)想方案稍有不同的實驗系統(tǒng)——外加偏置電流的約瑟夫森結(jié)。所有可行方案的共同點是：實驗電路必須具備非線性 (nonlinearity) 或非諧性 (anharmonicity) 方允許研究者通過相對簡單的物理測量對量子力學與經(jīng)典物理規(guī)律作出明確區(qū)分——這條規(guī)則至今仍在人造原子或量子比特的設(shè)計中被普遍沿用。

[...] 勢阱的非諧性極其重要。簡諧振子的二次勢阱會導致能級間距與量子數(shù)無關(guān)。相反，對于具有低量子數(shù)的非諧勢阱，其能級躍遷能夠被清晰區(qū)分——這與高量子數(shù)情形下玻爾對應(yīng)原理 (correspondence principle) 的普遍適用形成鮮明對比。正如Leggett所精辟指出的——非諧振子使我們得以「規(guī)避對應(yīng)極限」。[Martinis et al., 2020]

在此基礎(chǔ)之上，偏置電流 (bias current) 的設(shè)置為實驗系統(tǒng)引入了巧妙的測量機制——超導相位變量差的逃逸或隧穿被轉(zhuǎn)換和「放大」為一個更容易直接測量的宏觀電壓信號。測量方法的不斷創(chuàng)新改進也成為超導量子電路四十年來的發(fā)展主線之一。

量子效應(yīng)通常由于涉及微觀變量從而在宏觀尺度難以觀測。宏觀量子隧穿則是一種揭示（量子效應(yīng)）極其靈敏的實驗方法——單次隧穿事件就能使系統(tǒng)從零電壓態(tài)切換至能隙電壓態(tài)。與蓋革計數(shù)器類似，這兩種狀態(tài)非常容易被區(qū)分；唯一可能產(chǎn)生「錯誤計數(shù)」的經(jīng)典競爭過程是熱激發(fā)，但將系統(tǒng)冷卻至足夠低的溫度即可將其有效「凍結(jié)」。[Tinkham, 1996]

最后，量子物理實驗往往需要苛刻的環(huán)境條件——對于人造量子電路，兩項最核心的要求是電磁屏蔽與低溫，目的都是盡量隔絕外部環(huán)境對量子系統(tǒng)各種形式的噪聲干擾。其中，實驗溫度對應(yīng)的熱噪聲需要遠低于量子化能級之間的躍遷能量——現(xiàn)實中一般在 10 mK 量級，能且僅能通過稀釋制冷 (dilution refrigeration) 技術(shù)連續(xù)維持。今天的超導量子計算實驗仍舊遵循相同的溫度要求（注：它除了必須遠低于電路材料自身的超導臨界溫度外與后者并無直接聯(lián)系）。

通常我們只能觀察到臺球或布朗運動粒子的經(jīng)典行為，這是因為普朗克常數(shù)?極其微小。但至少在原則上，我們完全有可能設(shè)計出讓這些物體展現(xiàn)量子行為的實驗。這樣的系統(tǒng)需滿足兩個條件：(i) 熱激發(fā)能量必須遠小于量子化能級的間距；(ii) 若要使量子態(tài)的壽命超過系統(tǒng)特征時間尺度，（呈現(xiàn)量子行為的）宏觀自由度必須與所有其他自由度充分解耦（隔離）。[Clarke et al., 1988]

明確以上主要設(shè)計思路后，三人小組在余下的兩年時間內(nèi)完成了實驗搭建、樣品制備以及所有關(guān)鍵結(jié)果的測量與分析，并用兩篇實驗論文 [Devoret et al., 1985; Martinis et al., 1985] 匯報了宏觀量子隧穿與能級量子的發(fā)現(xiàn)。他們隨后在 1987 年發(fā)表的另一篇總結(jié)性論文中如此概述自己的研究動機與結(jié)論——

宏觀自由度遵循量子力學規(guī)律嗎？直至最近，這個問題一直超出科學實驗的研究范圍。量子力學在宏觀尺度僅能通過超流、超導、磁通量子化或約瑟夫森效應(yīng)等集體現(xiàn)象得以表現(xiàn)。盡管人們習慣上將這些現(xiàn)象稱為「宏觀」，但它們本質(zhì)上是遵循量子力學的微觀變量通過相干累加在宏觀尺度的呈現(xiàn)。[...] 本論文所描述的實驗系統(tǒng)雖然包含大量原子，卻與（單個）原子一樣具備遵循量子力學規(guī)律的單一自由度。[Martinis et al., 1987]

從時間線上回顧，伯克利三人組并非首個嘗試于超導約瑟夫森電路中尋找宏觀量子隧穿現(xiàn)象的研究團隊；但是他們實驗的嚴謹性與說服力要明顯高于之前發(fā)表的同類工作。其中最關(guān)鍵的一點是：三位科學家與期間參與部分研究的 Daniel Estève 一起對實驗中的超導電路進行了準確的建模分析，并通過多個輔助與對照實驗獨立測得了全部模型參數(shù)，最終實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)與理論預(yù)期之間無需任何變量擬合的直接比對——這使得宏觀量子力學從此成為「超越合理懷疑」的科學事實。

宏觀量子隧穿的發(fā)現(xiàn)具有怎樣的意義？三位諾貝爾獎得主當年的回答如今看來相當有趣——

我們能否依此斷言宏觀自由度一定遵循量子力學呢？實驗科學家當前有兩種可以選擇的態(tài)度：理想主義或?qū)嵱弥髁x。 對于擔心量子力學「怪誕理論體系」的理想主義者，上述問題的答案是否定的。他們必須繼續(xù)探尋能夠揭示量子力學適用性局限的具體實驗。[...] 但希望利用宏觀量子力學的實用主義者會回答「也許是」。他們更傾向于探索實現(xiàn)量子信號處理的新型超導電路 [...] 最后，實用主義者甚至會設(shè)想在宏觀尺度上構(gòu)造奇特的「帶導線的原子」——它們可能會展現(xiàn)出微觀世界中不存在的全新量子現(xiàn)象。[Devoret et al., 1987]

簡言之，科學家從此可以基于超導人造原子開發(fā)更多具有基礎(chǔ)研究或?qū)嶋H應(yīng)用價值的量子電路；但至于量子力學的宏觀檢驗，這項發(fā)現(xiàn)僅僅是一個起始——為了充分理解經(jīng)典物理與量子物理的邊界，我們還必須找到量子力學在宏觀尺度有效性的局限證據(jù)，例如觀測到物體不同經(jīng)典狀態(tài)有限時間壽命的量子相干疊加。

2000 年前后，日本、歐洲、 美國的多個實驗室陸續(xù)在幾類不同構(gòu)型的超導人造原子中觀察到了宏觀量子相干現(xiàn)象。此后，超導人造原子有了另一個更為人熟知的名字——超導量子比特 (superconducting qubit)。

2004 年，耶魯大學的研究團隊首次在超導電路中觀察到了量子比特與微波光子的量子化相互作用；這一實驗體系及其物理原理被命名為電路量子電動力學 (circuit quantum electrodynamics)。

超導量子比特與電路量子電動力學的發(fā)明開啟了量子信息技術(shù)的新篇章——光子與人造原子從此可以在固態(tài)電路系統(tǒng)中被靈活地設(shè)計與組合，作為宏觀量子機器的兩類基本元件；科學家們也開始嚴肅思考下一個更長遠的研究目標——超導量子計算機。

量子計算與人造原子的概念設(shè)想幾乎同時起源于八十年代初，但兩個研究領(lǐng)域直至九十年代末才發(fā)生明顯的交匯——超導量子電路作為量子計算的潛在硬件平臺開始受到廣泛關(guān)注。談及量子計算，信息科學背景的研究者也許會首先被其解決特定問題的算法優(yōu)勢所吸引；但在物理學的視角下，量子計算機本質(zhì)是一個高度復雜的人造量子系統(tǒng)，它的物理實現(xiàn)會將針對量子力學適用范圍的實驗檢驗引向新的維度。

2007 年 5 月，Devoret 在出任法蘭西學院 (Collège de France) 介觀物理學講席教授的就任演講 (le?on inaugurale) 最后闡述了人造量子機器對于人們探索量子力學復雜性前沿的特別意義——

請允許我以一個非常不確定的開放問題結(jié)束此次演講——這個問題實際上曾推動了介觀物理學早期的部分實驗研究：通過構(gòu)建高度復雜的（物質(zhì)）系統(tǒng)，我們或許能夠發(fā)現(xiàn)一個新方向——量子力學在此有可能不再成立。許多物理學家完全反對這一想法；他們認為量子力學是整個物理學必須建于其上、不容置疑的基石。然而另一些物理學家則持相反觀點，他們認為量子力學只是一個暫時的過渡性理論，就如同上世紀初的彈性力學理論一樣。[Devoret, 2008]

換言之，作為應(yīng)用研究目標的量子機器同時也是探究量子理論基本問題的強大實驗工具——在此意義下，基礎(chǔ)科學的未知邊界需要通過工程方法得以擴展乃至重新定義。

2010 年代以來，量子計算正逐漸從純粹的學術(shù)研究過渡向需要學術(shù)界與工業(yè)界互相協(xié)作的系統(tǒng)工程。最近十年間，Martinis 與 Devoret 都不同程度地領(lǐng)導或參與了工業(yè)界實驗室的量子計算項目。可當被問及對于量子計算機的興趣與展望，兩位超導量子電路的共同發(fā)明人最多提及的還是在復雜人造系統(tǒng)中檢驗、突破量子力學宏觀極限的「初心」——

在科學層面上，我們正在通過實踐方法檢驗量子力學與量子計算理論是否在宏觀尺度上真正正確。物理學家希望它們是正確的——尤其是理論物理學家們，但實驗物理學家的職責是驗證其真實有效性。[...] 因此對我而言，最重要的（任務(wù)）是檢驗量子力學。這是我想做這項實驗最現(xiàn)實的原因。[Martinis, 2021] 盡管驗證量子力學基本原理的現(xiàn)有實驗已在多位小數(shù)精度上與理論預(yù)測相符，但量子理論的公設(shè)依然可能存在某些局限——這些局限或?qū)⒃趯ｉT設(shè)計的新實驗中被暴露出來，例如對大規(guī)模量子糾纏的檢驗。[...] 大型量子計算機正是探索這一問題的關(guān)鍵工具 [...] [Devoret, 2021]

從1985 年至今，超導量子電路的理論設(shè)計與實驗方法都已歷經(jīng)了若干代的演化改進。目前人們基本能夠證實：在包含幾十到上百個人造原子的量子電路中，標準形式的量子力學大概率仍是成立的。但它在更大規(guī)模的量子系統(tǒng)中也一定成立嗎？為了給出確定回答，人們需要不斷測試越來越復雜的量子機器——直至現(xiàn)有的量子理論出現(xiàn)與實驗結(jié)果無法調(diào)和的困難為止。

在這條探索道路上，設(shè)計、制造大型量子機器的技術(shù)挑戰(zhàn)是顯然的；但我們同時應(yīng)該看到：更現(xiàn)實的挑戰(zhàn)并不止于技術(shù)層面。如今，比較復雜的量子計算實驗經(jīng)常需要幾十到幾百名研究人員共同參與；在可預(yù)見的將來，這一數(shù)字以及相應(yīng)的資源需求還將繼續(xù)增長，甚至有可能接近所謂的「大科學」規(guī)模。上世紀以來某些研究領(lǐng)域（例如實驗高能物理）的歷史經(jīng)驗告訴我們：對于以規(guī)模擴展 (scaling-up) 為主要度量指標的科研方向，它們的發(fā)展極限往往更直接受制于有限的經(jīng)濟資源——這本質(zhì)上是現(xiàn)代科學公共社會屬性的一種具體呈現(xiàn)。

人類對于量子世界的認知邊界最終會在哪里？與許多知識領(lǐng)域的未來之問一樣，它或許并不是一個單純的知識問題。其中科學家能做的除了砥礪前行，還有積極尋求新的探索角度——比如在規(guī)模擴展以外，我們是否還有其它路徑接近量子物理的未知前沿？

答案是非常肯定的。一些已經(jīng)存在的具體例子包括：天然或人造原子的連續(xù)測量實驗極大地加深了物理學家對量子躍遷 (quantum jump) 和量子軌跡 (quantum trajectory) 等概念的科學理解，它們與量子力學的另一大基本理論難題——測量問題 (measurement problem) 有很直接的聯(lián)系；再比如，各種人造量子系統(tǒng)已經(jīng)成為研究量子多體物理 (quantum many-body physics) 的重要平臺；此外，許多基于量子物理實驗的精密測量方法已被應(yīng)用于探測未知基本粒子或自然基本常數(shù)的時間演化，以及材料與生命系統(tǒng)中的新奇現(xiàn)象……知識與實踐也許會有邊界，但不應(yīng)被窮盡的是人類面對自然規(guī)律的求知欲和基于科學方法的創(chuàng)造力。

我想這大概也是諾貝爾物理學獎希望向世界傳遞的信息。量子力學的下一個百年，讓我們一起努力。

2025 年 10 月于圣巴巴拉和紐約

本文作者2022年于耶魯大學應(yīng)用物理系取得博士學位；現(xiàn)為加州大學圣巴巴拉分校物理系博士后研究員。

參考文獻：

1.[Clarke et al., 1988] ?J. Clarke, A.N. Cleland, M.H. Devoret, D. Estève, & J.M. Martinis, “Quantum mechanics of a macroscopic variable: The phase difference of a Josephson junction”, Science 239, 992 (1988).

2.[Devoret et al., 1984] ?M.H. Devoret, J.M. Martinis, D. Estève, & J. Clarke, “Resonant activation from the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction”, Physical Review Letters 53, 1260 (1984).

3.[Devoret et al., 1985] ?M.H. Devoret, J.M. Martinis, & J. Clarke, “Measurements of macroscopic quantum tunneling out of the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction”, Physical Review Letters 55, 1908 (1985).

4.[Devoret et al., 1987] ?M.H. Devoret, J.M. Martinis, D. Estève, & J. Clarke, “Experimental observation of the quantum behavoir of a macroscopic degree of freedom” in Le hasard et la matiére / Chance and Matter, école d’été de physique théorique, Les Houches, Session XLVI, 1986, edited by J. Souletie, J. Vannimenus, & R. Stora (Amsterdam: North-Holland, 1987), pp. 509–523.

5.[Devoret, 2008] ?M.H. Devoret, De l’atome aux machines quantiques, Le?on inaugurale du Collège de France (Paris: Fayard, 2008).

6.[Devoret, 2021] ?M.H. Devoret, interview by D. Zierler, 18 December 2024, Oral History Interviews, Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics (2021).

7.[Leggett, 1978] ?A.J. Leggett, “Prospects in ultralow temperature physics”, Journal de Physique Colloques 39(C6), 1264 (1978).

8.[Leggett, 1980] ?A.J. Leggett, “Macroscopic quantum systems and the quantum theory of measurement”, Progress of Theoretical Physics: Supplement 69, 80 (1980).

9.[Leggett, 1984a] ?A.J. Leggett, “Macroscopic quantum tunnelling and all that” in Essays in Theoretical Physics: In Honour of Dirk ter Haar, edited by W.E. Parry (Oxford: Pergamon, 1984), pp. 95–127.

10.[Leggett, 1984b] ?A.J. Leggett, “Schr?dinger’s cat and her laboratory cousins”, Contemporary Physics 25, 583 (1984).

11.[Leggett, 1987] ?A.J. Leggett, “Quantum mechanics at the macroscopic level” in Le hasard et la matiére / Chance and Matter, école d’été de physique théorique, Les Houches, Session XLVI, 1986, edited by J. Souletie, J. Vannimenus, & R. Stora (Amsterdam: North-Holland, 1987), pp. 395–506.

12.[Martinis et al., 1985] ?J.M. Martinis, M.H. Devoret, & J. Clarke, “Energy-level quantization in the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction”, Physical Review Letters 55, 1543 (1985).

13.[Martinis et al., 1987] ?J.M. Martinis, M.H. Devoret, & J. Clarke, “Experimental tests for the quantum behavior of a macroscopic degree of freedom: The phase difference across a Josephson junction”, Physical Review B 35, 4682 (1987).

14.[Martinis et al., 2020] ?J.M. Martinis, M.H. Devoret, & J. Clarke, “Quantum Josephson junction circuits and the dawn of artificial atoms”, Nature Physics 16, 234 (2020).

15.[Martinis, 2021] ?J.M. Martinis, interview by D. Zierler, 18 December 2024, Oral History Interviews, Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics (2021).

16.[Tinkham, 1996] ?M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, 2nd edition (New York: McGraw-Hill, 1996).

本文轉(zhuǎn)載自《知識分子》微信公眾號

《物理》50年精選文章