導(dǎo) 讀
剛剛，2025年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了加州大學(xué)伯克利分校約翰·克拉克(John Clark)、米歇爾·H·德沃雷(Michel Devoret)和約翰·馬丁尼斯(John Martinis)，以表彰他們?cè)凇半娐分袑?shí)現(xiàn)宏觀量子隧穿與能級(jí)量子化”的發(fā)現(xiàn)?！?br/>現(xiàn)場(chǎng)，克拉克得知獲獎(jiǎng)非常震驚，他說從未想過自己會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。他這樣回答《知識(shí)分子》、《賽先生》特約編輯王一葦?shù)奶釂?，（今天，我得了諾獎(jiǎng)，但是）量子計(jì)算機(jī)是很多人一起做得工作，（對(duì)于年輕人），我想跟他們說：量子領(lǐng)域有大量的發(fā)現(xiàn)等著去發(fā)掘，有很多辦法可以做出很好的發(fā)現(xiàn)。

物理學(xué)中的一個(gè)重要問題是：能夠展現(xiàn)量子力學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)最大可以達(dá)到什么尺度。今年的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者通過電路實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)尺寸足以置于掌心的系統(tǒng)中，同時(shí)展示了量子力學(xué)隧穿效應(yīng)與能量量子化。

量子力學(xué)允許粒子通過所謂“隧穿”的過程直接穿越勢(shì)壘。一旦涉及大量粒子，量子力學(xué)效應(yīng)通常會(huì)變得微不足道。獲獎(jiǎng)?wù)叩膶?shí)驗(yàn)證明，量子力學(xué)特性可以在宏觀尺度上得以具體呈現(xiàn)。

在1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬丁尼斯利用超導(dǎo)體（即能夠無電阻傳導(dǎo)電流的元件）構(gòu)建了一個(gè)電子電路，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在該電路中，超導(dǎo)元件被一層薄薄的絕緣材料隔開，這種結(jié)構(gòu)被稱為約瑟夫森結(jié)。通過精確改進(jìn)并測(cè)量其電路的各種特性，他們得以控制和探索當(dāng)電流通過時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象。流經(jīng)超導(dǎo)體的帶電粒子共同構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)，其行為猶如一個(gè)遍布整個(gè)電路的單一粒子。

這個(gè)宏觀的類粒子系統(tǒng)最初處于一種無電壓的電流流動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)受限于此狀態(tài)，仿佛被一道無法穿越的勢(shì)壘所阻擋。實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)通過隧穿效應(yīng)成功脫離零電壓狀態(tài)，從而展現(xiàn)了其量子特性。系統(tǒng)狀態(tài)的改變通過電壓的出現(xiàn)而被檢測(cè)到。獲獎(jiǎng)?wù)邆冞€證明了該系統(tǒng)的行為遵循量子力學(xué)的預(yù)測(cè)——它是量子化的，意味著它僅吸收或釋放特定數(shù)量的能量。

他們的研究首次無可辯駁地證明，一個(gè)由數(shù)十億對(duì)電子組成的、人手可以觸摸的“宏觀”物體——超導(dǎo)電路，可以像單個(gè)原子一樣，遵循量子力學(xué)的奇異規(guī)則。這項(xiàng)工作將量子世界從微觀粒子和思想實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域，成功帶入了可被精確設(shè)計(jì)和操控的宏觀工程系統(tǒng)中，為現(xiàn)代量子計(jì)算和量子科學(xué)的發(fā)展鋪平了道路。

自量子力學(xué)誕生以來，其結(jié)論就一直挑戰(zhàn)著人們的直覺。其中最著名的莫過于“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)：由于放射性原子核的衰變處于“衰變”與“未衰變”的疊加態(tài)，一只與之關(guān)聯(lián)的貓，也因此處在“生”與“死”的疊加態(tài)。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)形象地指出了將量子法則應(yīng)用到宏觀世界是何等荒謬。在現(xiàn)實(shí)世界中，我們從未見過一只“既生又死”的貓，這是因?yàn)楹暧^物體與周圍環(huán)境存在著無法避免的相互作用，這種相互作用會(huì)極快地破壞掉精巧的量子疊加態(tài)。

然而，一個(gè)大膽的問題在20世紀(jì)70年代末被物理學(xué)家安東尼·萊格特（Anthony Leggett，2003年諾獎(jiǎng)得主）提出：我們能否在實(shí)驗(yàn)室里，創(chuàng)造出一個(gè)“迷你版”的薛定諤的貓？他將目光投向了超導(dǎo)電路，因?yàn)槠錁O低的電阻意味著它與環(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。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。

萊格特的理論構(gòu)想為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們指明了方向，而實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想的決定性工作，正來自于本次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家。1980年代，在美國加州大學(xué)伯克利分校，約翰·克拉克教授與他當(dāng)時(shí)的研究生約翰·馬丁尼斯以及來自法國的博士后米歇爾·德沃雷組成了一個(gè)強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)。他們的目標(biāo)非常明確：在一個(gè)簡單的“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)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)是巨大的，任何來自外界的微小噪聲都可能“加熱”系統(tǒng)，其效果會(huì)與真正的量子隧穿現(xiàn)象相混淆，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。

為了取得決定性的證據(jù)，伯克利小組展現(xiàn)了高超的實(shí)驗(yàn)技巧。他們?cè)O(shè)計(jì)并使用了一套包含銅粉微波濾波器在內(nèi)的復(fù)雜濾波鏈路，對(duì)特定頻率范圍內(nèi)的噪聲實(shí)現(xiàn)了驚人的衰減。同時(shí)，他們利用一種名為“共振激活”的技術(shù)，在不依賴?yán)碚摂M合的情況下，獨(dú)立地、原位測(cè)量了約瑟夫森結(jié)的等離子體頻率、阻尼電阻和臨界電流等所有關(guān)鍵參數(shù)，這使得他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直接與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行定量比較，排除了不確定性。經(jīng)過不懈的努力，他們最終取得了歷史性的突破。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度降低到某個(gè)臨界點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)的“逃逸”行為便不再依賴于溫度，其分布特征與量子隧穿的理論預(yù)測(cè)完全吻合，這證明了系統(tǒng)的行為是由量子力學(xué)主導(dǎo)，而非經(jīng)典的熱激活。更令人震驚的是，他們通過微波光譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)由無數(shù)庫珀對(duì)構(gòu)成的宏觀系統(tǒng)的能量，并非連續(xù)變化的，而是存在著像單個(gè)原子能級(jí)一樣分立的、量子化的能級(jí)。他們甚至觀測(cè)到了系統(tǒng)從不同的激發(fā)態(tài)隧穿出去的現(xiàn)象，其能量間隔與量子力學(xué)計(jì)算的結(jié)果精確相符。

這一系列實(shí)驗(yàn)清晰地表明：只要能夠與環(huán)境充分隔離，即便是大到可以“用手觸摸”的電路，其整體行為也會(huì)服從量子力學(xué)的規(guī)律。研究者曾將他們的系統(tǒng)比喻為“宏觀原子核”，并設(shè)想通過導(dǎo)線將這些“宏觀原子核”連接起來，去構(gòu)建全新的量子系統(tǒng)?？死?、德沃雷和馬丁尼斯的工作，成為量子科學(xué)的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。它不僅證明了宏觀量子效應(yīng)的存在，更展示了人類有能力在實(shí)驗(yàn)室中制造并操控這樣的體系。

這一發(fā)現(xiàn)直接催生了“超導(dǎo)電路可作為人造原子”的思想，使其逐漸成為構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)最具潛力的平臺(tái)。如今，全球領(lǐng)先的量子研究團(tuán)隊(duì)廣泛使用的 Transmon 量子比特，以及極大延長量子相干時(shí)間的電路量子電動(dòng)力學(xué)（cQED）架構(gòu)，其物理學(xué)基礎(chǔ)都可以追溯到上世紀(jì)八十年代這批奠基性實(shí)驗(yàn)。從驗(yàn)證一個(gè)曾被視作悖論的設(shè)想，到開辟一個(gè)全新的量子工程領(lǐng)域，他們的研究展示了基礎(chǔ)科學(xué)如何在數(shù)十年后轉(zhuǎn)化為顛覆性的技術(shù)資源。

值得一提的是，John Clarke、Michel H. Devoret曾經(jīng)與東京大學(xué)先端科學(xué)技術(shù)研究中心教授、日本理化學(xué)研究所量子計(jì)算中心主任中村泰信（Yasunobu Nakamura）共同獲得2021年度“墨子量子獎(jiǎng)”，獲獎(jiǎng)理由是表彰他們作為領(lǐng)軍人物開創(chuàng)了超導(dǎo)量子電路和量子比特中一系列早期關(guān)鍵技術(shù)。

為推動(dòng)量子信息科技的科學(xué)研究特別是第二次量子革命的發(fā)展，中國民間企業(yè)家們慷慨捐資一億元成立“墨子量子科技基金會(huì)”。基金會(huì)設(shè)立“墨子量子獎(jiǎng)”，自2008年起通過廣泛邀請(qǐng)?zhí)崦蛧H專家評(píng)審，嚴(yán)格遴選和表彰國際上在量子通信、量子模擬、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席奧勒·埃里克松表示：“能夠見證擁有百年歷史的量子力學(xué)不斷帶來新的驚喜，這實(shí)在令人欣喜。同時(shí)它也極具實(shí)用性，因?yàn)榱孔恿W(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基石?！?/p>

計(jì)算機(jī)微芯片中的晶體管便是環(huán)繞在我們身邊、已成熟應(yīng)用的量子技術(shù)之一。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為發(fā)展下一代量子技術(shù)，包括量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器，提供了新的機(jī)遇。

知識(shí)分子、賽先生特約編輯王一葦現(xiàn)場(chǎng)提問

約翰·克拉克 (John Clarke)

John Clarke 出生于 1942 年于英國劍橋，從劍橋大學(xué)獲得 B.A.（1964 年）、Ph.D.（1968 年），后來于 2005 年獲授 Sc.D. 學(xué)位。

1968 年，他來到美國加州大學(xué)伯克利分校，擔(dān)任博士后研究員；次年（1969 年）他被聘為物理系教員，正式開啟長期的伯克利教學(xué)生涯。

在伯克利，他歷任助理教授、副教授，到了 1973 年成為正教授。 從 1994 年至 1999 年，他擔(dān)任 Luis W. Alvarez 紀(jì)念實(shí)驗(yàn)物理學(xué)講席教授。

同時(shí)，在 1969 年至 2010 年期間，他還兼任勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的資深科學(xué)家（Senior Faculty Scientist）。

2010 年，Clarke 教授從常任教職退休，成為伯克利大學(xué)“研究生院教授”（Professor of the Graduate School, Emeritus）身份，仍然在科研上保持活躍。

在他與伯克利和劍橋之間也保持密切聯(lián)系：他曾多次回訪劍橋，并擔(dān)任 Christ’s College 的研究員、Clare Hall 訪問學(xué)者、Churchill College By-Fellow，其后在 2023 年被選為 Darwin College 的榮譽(yù)研究員。

在科學(xué)研究上，他長期專注于超導(dǎo)物理與超導(dǎo)電子器件，特別是在超導(dǎo)量子干涉器件（SQUIDs）方面取得開創(chuàng)性成果，其應(yīng)用橫跨凝聚態(tài)物理、地球物理、醫(yī)學(xué)成像、量子信息等多個(gè)領(lǐng)域。

Clarke 教授也獲得眾多國際榮譽(yù)，例如英國皇家學(xué)會(huì)院士、Comstock物理獎(jiǎng)（1999 年）、Hughes 勛章（2004 年）等。

米歇爾·德沃雷(Michel Devoret)

Michel Henri Devoret 出生于 1953 年法國巴黎。他于 1975 年畢業(yè)于巴黎國立高等電信學(xué)院，獲得工程學(xué)位，1982 年在巴黎第十一大學(xué) Orsay 校區(qū)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。

博士畢業(yè)后，他前往美國加州大學(xué)伯克利分校，在 John Clarke 的實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究，主要探索宏觀量子隧穿等前沿問題。20 世紀(jì) 80 年代中期，他回到法國，在 CEA-Saclay 建立自己的研究團(tuán)隊(duì)，與 Daniel Estève 和 Cristian Urbina 合作，開創(chuàng)了“quantronics”（量子電子學(xué)）的研究方向，推動(dòng)了超導(dǎo)電路和單電子器件等領(lǐng)域的發(fā)展。他的團(tuán)隊(duì)在這一時(shí)期完成了隧穿穿越時(shí)間測(cè)量、單電子泵的發(fā)明、單原子電導(dǎo)率測(cè)量等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)突破，并首次在超導(dǎo)“人工原子”中觀測(cè)到 Ramsey 干涉條紋。1995 年，他被任命為 CEA-Saclay的研究總監(jiān)。

2002 年，Devoret 加入耶魯大學(xué)，擔(dān)任應(yīng)用物理學(xué)教授，后成為 F. W. Beinecke 教授，并領(lǐng)導(dǎo) Quantronics Lab。他的研究重點(diǎn)涵蓋超導(dǎo)量子比特設(shè)計(jì)、電路量子電動(dòng)力學(xué)、量子測(cè)量與放大器、遠(yuǎn)程糾纏以及容錯(cuò)量子存儲(chǔ)等。在耶魯，他與 Robert Schoelkopf、Steven Girvin 等合作者一道，推動(dòng)了 transmon、fluxonium 等新型超導(dǎo)量子比特的誕生，并在量子糾錯(cuò)與量子信息處理方面取得重要成果。2007 至 2012 年間，他還曾在法國高等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu) Collège de France 任講座教授。

在國際學(xué)術(shù)界，Devoret 享有極高聲譽(yù)。他先后當(dāng)選為美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、法國科學(xué)院院士，并獲得了包括法國科學(xué)院 Ampère 獎(jiǎng)、Descartes-Huygens 獎(jiǎng)、Europhysics-Agilent 獎(jiǎng)、John Stewart Bell 獎(jiǎng)、Fritz London 紀(jì)念獎(jiǎng)、Micius 量子獎(jiǎng)、以及美國國家科學(xué)院 Comstock 物理獎(jiǎng)在內(nèi)的一系列重要榮譽(yù)。

目前，Michel H. Devoret 仍活躍在科研一線。他是耶魯大學(xué)的榮休教授，同時(shí)擔(dān)任 Google Quantum AI 的首席科學(xué)家，在推動(dòng)超導(dǎo)量子計(jì)算和量子信息處理的發(fā)展中繼續(xù)發(fā)揮著重要作用。

約翰·馬丁尼斯(John Martinis)

John Martinis 出生于 1958 年，是美國著名物理學(xué)家。在加州大學(xué)伯克利分校，他于 1980 年獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，隨后在伯克利繼續(xù)深造，于 1985 年（有些資料說 1987 年）完成博士學(xué)位。他的博士研究聚焦于約瑟夫森結(jié)的宏觀量子隧穿與能級(jí)量子化，是他日后進(jìn)入量子電子器件領(lǐng)域的重要起點(diǎn)。

在完成博士后階段，他先后在法國 Saclay 的 CEA 實(shí)驗(yàn)室和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）工作，參與開發(fā)超導(dǎo)器件、SQUID 放大器以及 X 射線微熱量計(jì)等技術(shù)。

2004 年，Martinis 加入加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB），擔(dān)任實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教職，并曾任 Worster 講席教授。他在 UCSB 的研究團(tuán)隊(duì)長期致力于超導(dǎo)量子比特、量子控制、量子測(cè)量以及器件優(yōu)化等方向，并為未來大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)做了大量基礎(chǔ)性工作。

2014 年，Martinis 與其團(tuán)隊(duì)被 Google Quantum AI 實(shí)驗(yàn)室招募，負(fù)責(zé)超導(dǎo)硬件方向的研究。他所在團(tuán)隊(duì)最具代表性的成果之一，是在 2019 年發(fā)表在 Nature 的論文《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》，首次宣稱實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)。后來在 2020 年，Martinis 從 Google 的硬件負(fù)責(zé)職位退出，轉(zhuǎn)為顧問角色，并參與創(chuàng)業(yè)公司 Silicon Quantum Computing 與 Qolab 的創(chuàng)建。

在學(xué)術(shù)榮譽(yù)方面，他因在低溫物理與超導(dǎo)量子器件上的成績，獲得了 Fritz London 紀(jì)念獎(jiǎng)（2014 年）和 John Stewart Bell 獎(jiǎng)（2021 年）等國際重大獎(jiǎng)項(xiàng)。