北京時(shí)間 10 月 7 日，瑞典皇家科學(xué)院發(fā)布公告，將 2025 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)裔美國(guó)科學(xué)家約翰?克拉克（John Clarke）、法國(guó)裔加拿大科學(xué)家米歇爾?H?德沃雷特（Michel H. Devoret）與美國(guó)科學(xué)家約翰?M?馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們 “在宏觀尺度下實(shí)現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)的精準(zhǔn)觀測(cè)與定量研究” 的突破性貢獻(xiàn)。

這一成果通過(guò)厘米級(jí)超導(dǎo)芯片系統(tǒng)，首次在包含數(shù)十億粒子的宏觀體系中，驗(yàn)證了量子力學(xué)對(duì) “隧穿現(xiàn)象” 的預(yù)測(cè)，為宏觀量子物理研究奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

獲獎(jiǎng)?wù)吲c核心實(shí)驗(yàn)：從理論構(gòu)想至實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

三位獲獎(jiǎng)?wù)叩暮献魇加?1984-1985 年的加州大學(xué)伯克利分校低溫物理實(shí)驗(yàn)室。

其中，出生于 1942 年的約翰?克拉克（現(xiàn)任伯克利分校榮譽(yù)退休教授）是宏觀量子隧穿研究的開(kāi)拓者，早在 1970 年代便提出 “利用超導(dǎo)系統(tǒng)觀測(cè)宏觀量子效應(yīng)” 的理論框架。

1953 年出生的米歇爾?H?德沃雷特（耶魯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)與物理學(xué)教授）主導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)裝置的超導(dǎo)電路設(shè)計(jì)。

1958 年出生的約翰?M?馬丁尼斯（加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校榮譽(yù)退休教授）則攻克了超低溫環(huán)境下的信號(hào)探測(cè)技術(shù)難題，三人形成 “理論 - 設(shè)計(jì) - 探測(cè)” 的完整研究閉環(huán)。

他們的核心實(shí)驗(yàn)基于超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID）原理：將兩層鋁制超導(dǎo)體（臨界溫度 1.175K）用厚度僅 5 納米的氧化鋁絕緣薄膜隔開(kāi)，形成 “超導(dǎo) - 絕緣 - 超導(dǎo)”（SIS）隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。在 10 毫開(kāi)爾文（約 - 273.14℃，接近絕對(duì)零度）的超低溫環(huán)境中，超導(dǎo)體中的電子會(huì)兩兩結(jié)合形成 “庫(kù)珀對(duì)”（Cooper pair）—— 這種由電子 - 聲子相互作用形成的準(zhǔn)粒子，會(huì)喪失個(gè)體運(yùn)動(dòng)隨機(jī)性，呈現(xiàn)宏觀尺度的量子相干性。當(dāng)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)向電路注入 10-100 納安的微弱電流時(shí)，庫(kù)珀對(duì)受絕緣層勢(shì)壘限制，系統(tǒng)處于零電壓的 “量子束縛態(tài)”；當(dāng)通過(guò)微波場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)能量時(shí)，庫(kù)珀對(duì)可通過(guò)量子隧穿效應(yīng)穿越勢(shì)壘，使電路產(chǎn)生可精確測(cè)量的電壓跳變（約 20-50 微伏），且隧穿概率與微波頻率滿足量子力學(xué)的玻爾頻率條件（ΔE=?ω）。

從微觀到宏觀：量子隧穿研究的百年突破

量子隧穿效應(yīng)的理論雛形可追溯至 1927 年，物理學(xué)家弗里茨?倫敦（Fritz London）首次提出 “粒子可能穿越經(jīng)典物理無(wú)法逾越的勢(shì)壘”；1928 年，喬治?伽莫夫（George Gamow）用隧穿理論解釋了 α 衰變現(xiàn)象，驗(yàn)證了微觀粒子（如質(zhì)子、電子）的隧穿行為。

但在此后近百年間，所有實(shí)驗(yàn)觀測(cè)均局限于單粒子或少數(shù)粒子體系，宏觀體系（包含大量粒子）是否遵循量子隧穿規(guī)律，始終是量子物理領(lǐng)域的核心爭(zhēng)議 —— 經(jīng)典物理認(rèn)為，宏觀物體因粒子熱運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，會(huì)破壞量子相干性，無(wú)法呈現(xiàn)隧穿效應(yīng)。

三位獲獎(jiǎng)?wù)叩耐黄圃谟趯?shí)現(xiàn) “尺度與精度的雙重跨越”：一方面，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含約 1012 個(gè)庫(kù)珀對(duì)，屬于典型的宏觀體系（尺寸約 1 平方厘米），遠(yuǎn)超傳統(tǒng)微觀量子系統(tǒng)的粒子數(shù)量級(jí)；另一方面，他們通過(guò)低溫降噪技術(shù)（10 毫開(kāi)爾文環(huán)境下熱噪聲低于 10?21 瓦 / 赫茲）和高頻探測(cè)電路（響應(yīng)帶寬 1-10 吉赫茲），首次定量測(cè)量了宏觀體系的隧穿概率隨勢(shì)壘高度、溫度、微波頻率的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與 1980 年安東尼?萊格特（Anthony Leggett，2003 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）提出的 “宏觀量子隧穿理論” 預(yù)測(cè)完全吻合，證實(shí)了宏觀體系在極低溫下可保持量子相干性。

科學(xué)意義：從基礎(chǔ)研究到技術(shù)革命

瑞典皇家科學(xué)院在頒獎(jiǎng)詞中強(qiáng)調(diào)，該成果的核心價(jià)值體現(xiàn)在兩方面：其一，在基礎(chǔ)物理層面，它驗(yàn)證了量子力學(xué)可適用于宏觀尺度，為解決 “量子 - 經(jīng)典邊界” 這一世紀(jì)難題提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù) —— 此前薛定諤提出 “薛定諤的貓” 思想實(shí)驗(yàn)，質(zhì)疑宏觀物體能否處于量子疊加態(tài)，而該實(shí)驗(yàn)雖未實(shí)現(xiàn) “貓態(tài)”，但證明宏觀體系可呈現(xiàn)量子隧穿這一典型量子行為，為后續(xù)研究提供了范式；其二，在技術(shù)應(yīng)用層面，實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的 “宏觀量子比特”（基于超導(dǎo)隧道結(jié)），兼具量子相干性與宏觀可操控性，成為當(dāng)前量子計(jì)算、量子傳感領(lǐng)域的核心器件原型 —— 目前谷歌、IBM 等企業(yè)研發(fā)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，其核心芯片的設(shè)計(jì)原理均源于該實(shí)驗(yàn)的技術(shù)路線。

此次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)金為 1100 萬(wàn)瑞典克朗（按 2025 年 10 月匯率約合 760 萬(wàn)元人民幣），由三位獲獎(jiǎng)?wù)甙?4:3:3 比例分配，以認(rèn)可他們?cè)诓煌芯侩A段的貢獻(xiàn)。正如諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席奧拉夫?卡爾森（Olav Kj?r）所言：“從 1925 年量子力學(xué)奠基，到 2025 年宏觀量子效應(yīng)的精準(zhǔn)觀測(cè)，人類用百年時(shí)間證明：量子世界的規(guī)律，比我們想象的更具普適性?！?/p>

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