今天，瑞典皇家科學(xué)院將2025年諾貝爾物理學(xué)獎授予約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷（Michel H. Devoret） 和約翰·M·馬蒂尼斯（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)象方面的成就。

圖源：諾貝爾物理學(xué)獎委員會

量子力學(xué)描述的是在單個粒子尺度上起重要作用的性質(zhì)。在量子物理學(xué)中，這些現(xiàn)象被稱為“微觀”，即使它們小到光學(xué)顯微鏡都無法直接觀察。這與“宏觀”現(xiàn)象形成鮮明對比，宏觀現(xiàn)象由大量粒子組成。比如，一個日常生活中的球體由天文數(shù)量的分子組成，表現(xiàn)出完全的經(jīng)典行為，沒有任何量子力學(xué)效應(yīng)。我們知道，當(dāng)你把球扔向墻壁，它一定會彈回來。然而，在微觀世界中，一個單獨的粒子有時卻能“穿透”相當(dāng)于墻壁的障礙，出現(xiàn)在另一邊，這一量子力學(xué)現(xiàn)象稱為“隧穿效應(yīng)（tunnelling）”。

圖源：諾貝爾物理學(xué)獎委員會

今年的諾貝爾物理學(xué)獎，表彰的是那些在“宏觀尺度”上觀測到量子隧穿效應(yīng)的實驗，也就是說，這種效應(yīng)發(fā)生在包含大量粒子的系統(tǒng)中。1984年和1985年，約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John Martinis）在加州大學(xué)伯克利分校進行了一系列實驗。他們搭建了一個由兩個超導(dǎo)體構(gòu)成的電路，超導(dǎo)體是一種可以無電阻導(dǎo)電的材料，并在它們之間加入了一層不導(dǎo)電的極薄絕緣層。在這一實驗中，他們證明可以控制并研究這樣一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子表現(xiàn)得仿佛它們是一個“整體粒子”，一個充滿整個電路的單一量子系統(tǒng)。

“穿墻術(shù)”：量子世界有多奇怪？

在我們的日常世界里，一個球扔向墻壁，必然會反彈回來。我們把這種由大量粒子組成的、符合日常經(jīng)驗的現(xiàn)象稱為宏觀 (macroscopic)現(xiàn)象。

但在比顯微鏡尺度還小得多的 微觀 (microscopic)世界里，規(guī)則完全不同。一個微觀粒子，比如電子，在撞向能量壁壘時，有時并不會反彈，而是有一定概率直接“穿”過去，出現(xiàn)在另一邊。這個令人匪夷所思的現(xiàn)象，就是量子力學(xué)中的量子隧穿 (quantum tunneling)，俗稱“穿墻術(shù)”。

當(dāng)你把球扔向墻時，它必定會被彈回。若球突然“出現(xiàn)在”墻的另一側(cè)，你會感到極度震驚。這正是量子物理被認為“詭異且反直覺”的原因所在。

圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

打個比方：你把球扔向一堵墻，它每次都會彈回來。但如果這個球是個量子粒子，那么你扔一萬次，可能就有一次，它會神秘地出現(xiàn)在墻的另一邊，就好像墻壁不存在一樣。

長久以來，人們認為這種現(xiàn)象只屬于微觀世界。而今年的諾獎得主們，卻成功地在一個由數(shù)十億粒子組成的“宏觀”系統(tǒng)中，觀測到了這種集體“穿墻”的奇景。

一場“宏大”的量子實驗

時間回到1984年和1985年，在加州大學(xué)伯克利分校，Clarke、Devoret 和 Martinis 合作進行了一系列開創(chuàng)性實驗。

他們構(gòu)建了一個特殊的電路，核心部件是用一層薄薄的絕緣體隔開的兩個 超導(dǎo)體(一種可以無電阻導(dǎo)電的神奇材料)。在這個電路中，所有帶電粒子（庫珀對，即成對的電子）步調(diào)完全一致，行動起來就如同一個充滿整個電路的、巨大的“超級粒子”。

實驗開始時，這個“超級粒子”系統(tǒng)被困在一個零電壓的狀態(tài)，就像一個被卡住的開關(guān)，無法推到“開啟”位置。

實驗開始時沒有電壓，就像一個開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，被某種屏障阻止了轉(zhuǎn)到“開啟”。如果沒有量子力學(xué)的作用，這種狀態(tài)將永遠保持不變。但突然間，電壓出現(xiàn)了，仿佛開關(guān)在有屏障的情況下自己翻到了“開”的位置。這就是“宏觀量子隧穿”現(xiàn)象。圖源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

然而，奇跡發(fā)生了：在沒有任何外部能量推動的情況下，系統(tǒng)突然“隧穿”了能量壁壘，產(chǎn)生了一個可測量的電壓！這就像那個被卡住的開關(guān)，無視障礙，自己從“關(guān)閉”跳到了“開啟”。這就是實驗的核心，宏觀量子隧穿 (macroscopic quantum tunnelling)。

物理學(xué)家早在近一個世紀前就知道，隧穿是導(dǎo)致某類核衰變（α 衰變）的關(guān)鍵機制，原子核中的微小部分“穿出”勢壘并逃逸。圖源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

不僅如此，他們還通過向系統(tǒng)發(fā)射微波，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)只能吸收特定“份量”的能量，不多也不少。這完美證實了量子世界的另一個基本特性，能量量子化 (energy quantisation)。

從原子核到薛定諤的貓Schr?dinger's Cat

量子隧穿并非全新概念。早在1928年，物理學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，放射性原子核的衰變就是一種隧穿現(xiàn)象，原子核的一部分粒子會“穿透”束縛它的能量壁壘，逃逸出來。

但這次的實驗不同。它不是由單個粒子完成的，而是由數(shù)十億個“庫珀對”組成的集體行為。在超導(dǎo)體中，電子兩兩配對形成庫珀對，它們失去了個性，像一個紀律嚴明的舞團，形成一個統(tǒng)一的整體，可以用一個共同的波函數(shù)來描述。正是這個宏觀的量子態(tài)，讓整個系統(tǒng)表現(xiàn)得像一個巨大的量子粒子。

在普通導(dǎo)體中，電子相互碰撞；而在超導(dǎo)體中，電子成對形成“庫珀對”，電流無阻流動。圖中的間隙表示“約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）”。庫珀對的集體行為可視為單個粒子充滿整個電路。量子力學(xué)用一個共同波函數(shù)描述這種集體現(xiàn)象。圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

理論物理學(xué)家將這個實驗系統(tǒng)比作薛定諤那只著名的貓。在薛定諤的思想實驗中，貓?zhí)幱凇凹人烙只睢钡牧孔盈B加態(tài)。這個實驗則在現(xiàn)實中創(chuàng)造了一個類似的東西：一個由海量粒子組成的宏觀系統(tǒng)，作為一個整體，卻遵循著微觀世界的量子規(guī)則。它雖然遠比一只小貓小，但在物理學(xué)家眼中，其本質(zhì)非常接近。

克拉克、德沃雷和馬丁尼斯用超導(dǎo)電路進行實驗，電路芯片約1厘米大小。此前隧穿與能量量子化僅在少數(shù)粒子系統(tǒng)中觀測到，而此實驗首次在包含數(shù)十億庫珀對的宏觀系統(tǒng)中實現(xiàn)。

圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

有什么用？量子計算機的基石

這項看似深奧的發(fā)現(xiàn)，實際上為未來的技術(shù)鋪平了道路。

這個宏觀量子系統(tǒng)，可以被看作一個 “人造原子”。它有接口、有線路，可以被連接和控制，成為研究其他量子系統(tǒng)的強大工具。

更重要的是，它直接催生了量子計算的一個重要方向。Martinis 教授后來利用這項成果，將人造原子的最低兩個能級分別定義為 “0” 和 “1”，創(chuàng)造出了量子比特 (qubit)，量子計算機的信息基本單元。

量子系統(tǒng)的能量是離散的。能量越高，隧穿越容易；因此具有較高能量的系統(tǒng)平均“被困”時間更短。圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學(xué)院

如今，基于超導(dǎo)電路的量子計算機，正是全球科技巨頭和頂尖實驗室競相研發(fā)的前沿領(lǐng)域之一?？梢哉f，三位諾獎得主的工作，不僅加深了我們對物理世界基本規(guī)律的理解，也為開啟下一次信息技術(shù)革命奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2025年諾貝爾物理學(xué)獎得主簡介

JOHN CLARKE

1942年生于英國劍橋。1968年獲英國劍橋大學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)為美國加州大學(xué)伯克利分校教授。

MICHEL H. DEVORET

1953年生于法國巴黎。1982年獲法國巴黎第十一大學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為美國耶魯大學(xué)及加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授。

JOHN M. MARTINIS

1958年生。1987年獲美國加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位?，F(xiàn)為美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授。

參考

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/