剛剛，瑞典皇家科學院宣布，將2025年諾貝爾物理學獎授予 三位美國科學家約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和約翰·M·馬丁尼斯（John M. Martinis）， 以表彰他們 在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學隧穿和能量量子化 。值得一提的是， 約翰·克拉克和米歇爾·H·德沃雷特曾獲得我國頒發(fā)的2021年度墨子量子獎。其中John M. Martinis曾是谷歌AI量子實驗室的量子硬件首席科學家，與團隊在《Nature》曾發(fā)表劃時代論文，首次通過一臺擁有53個量子比特的處理器實現(xiàn)了“量子霸權”。

在量子力學百年之際，再次引發(fā)全球關注?；ヂ?lián)網(wǎng)思想發(fā)現(xiàn)在量子計算領域，深圳傳來一個好消息：今年8月，玻色量子自建的“專用光量子計算機制造工廠”就正式落地深圳南山區(qū)，這是國內首個規(guī)?；瘜Ｓ霉饬孔佑嬎銠C制造工廠，我們有數(shù)千平的生產車間，建成后預計年產光量子計算機可達數(shù)十臺／套，可形成專用光量子計算機的批量生產產能。這標志著玻色量子的實用化相干光量子計算機從實驗室研發(fā)階段正式邁入工程化量產階段。也是我國專用量子計算機從“技術突破”走向“產品交付”和“商業(yè)變現(xiàn)”的關鍵一步。

2025年諾貝爾物理學獎揭曉

剛剛，瑞典皇家科學院宣布，將2025年諾貝爾物理學獎授予

三位美國科學家約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和約翰·M·馬丁尼斯（John M. Martinis）， 以表彰他們 在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學隧穿和能量量子化 。

重磅！中國首個光量子計算機制造工廠落地深圳南山！

為更好繪就“十五五”美好藍圖

南山區(qū)謀定而動

提前布局量子信息等未來產業(yè)

近日，國內量子計算領軍企業(yè)——

北京玻色量子科技有限公司

（以下簡稱“玻色量子”）

自建的“專用光量子計算機制造工廠”

正式落地深圳南山區(qū)

同時，玻色量子在南山智城注冊成立“深圳玻色智能制造科技有限公司”和“深圳玻色量子科技有限公司”兩家子公司，分別負責相干光量子計算機整機及核心部件的規(guī)?；a任務和相干光量子計算機銷售與技術服務。

此次玻色量子自建的國內首個規(guī)?；瘜Ｓ霉饬孔佑嬎銠C制造工廠，建成后預計年產光量子計算機可達數(shù)十臺／套，可形成專用光量子計算機的批量生產產能。

這不僅是我國實用化國產量子計算機發(fā)展中的重要里程碑，更代表著我國專用光量子計算機在規(guī)?；a制造實力上達到了全球領先水平，以自主可控的“中國智造”填補全球專用光量子計算機規(guī)?；a空白。

量子是物理世界中不可分割的最小單元，表示物理量存在的最小基本單位?？梢詫⒘孔油ㄋ椎乩斫鉃樨泿诺淖钚挝唬ㄈ绶帧⒔牵?，只能取整數(shù)倍值。

隨著傳統(tǒng)摩爾定律的終結，AI、大數(shù)據(jù)對于算力提出了更高的要求，量子計算領域的發(fā)展迎來巨大機遇。

光量子計算，顧名思義就是利用光的量子特性來進行計算的技術，是一種主流的量子計算技術。

比起其他技術路線，光量子計算不需要超低溫，且具有量子比特數(shù)規(guī)模大、室溫穩(wěn)定運行、相干時間長等多方面的優(yōu)勢，在短期內可實現(xiàn)工程化，是商用量子計算機的新興形態(tài)。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前在全球范圍內，芬蘭量子計算公司IQM、歐洲量子計算服務提供商Quandela、美國量子計算公司IonQ、法國量子計算公司Pasqal相繼建成5家量子計算機制造工廠。同時，全球量子計算機應用部署提速。我國僅有少數(shù)量子計算企業(yè)聚焦產業(yè)鏈核心器件產線建設，尚無規(guī)?；麢C制造產線部署。

玻色量子作為國內實用化量子計算代表企業(yè)，自研的相干光量子計算機是國內唯一可實用化的專用光量子計算機。

玻色量子自建的國內首個“專用光量子計算機制造工廠”正式落地深圳南山區(qū)，標志著玻色量子的實用化相干光量子計算機從實驗室研發(fā)階段正式邁入工程化量產階段。

我國首個專用光量子計算機制造工廠的主要規(guī)劃建設包含模塊研制、整機生產與制造、質量控制與測試系統(tǒng)三大板塊。具體細分內容如下：

• 模塊研制：量子態(tài)制備器、高速量子測控系統(tǒng)、光纖量子內存等模塊的工程化研制。

• 整機生產與制造：建設具備恒溫恒濕、低振動、低噪聲等條件的高規(guī)格光量子設備生產、裝配車間，進行光量子計算機的整機裝配集成。

• 質量控制與測試系統(tǒng)：建立完善的質量控制體系，確保產出的光量子計算設備符合規(guī)定技術指標和質量標準；并建立健全專業(yè)測試設施和測試方法，對光量子計算設備進行性能測試和可靠性驗證。

光量子計算機制造工廠所在的南山智城是南山區(qū)規(guī)模最大的創(chuàng)新型產業(yè)用房項目，園區(qū)產業(yè)定位主要以新一代信息技術、人工智能、生物醫(yī)藥和大健康三大產業(yè)為主。

項目正位于南山“創(chuàng)新中軸”的核心位置——留仙洞新型產業(yè)總部基地六街坊，總建筑面積超過一百萬平方米，北鄰西麗湖國際科教城、南側是西麗高鐵新城。

此次專用光量子計算機制造工廠“落戶”深圳南山區(qū)，更是玻色量子自研的相干光量子計算機從“技術突破”走向“產品交付”和“商業(yè)變現(xiàn)”的關鍵一步。

接下來，南山區(qū)將與玻色量子攜手，依托深圳獨特的產業(yè)和創(chuàng)新優(yōu)勢，以專用光量子計算機制造工廠為基石，以場景開放和應用創(chuàng)新為驅動，以融合賦能為目標共建“量子計算＋”產業(yè)創(chuàng)新生態(tài)，在生物醫(yī)藥、人工智能、金融等重點行業(yè)打造“量子計算＋”應用標桿。

（內容來源：創(chuàng)新南山、南山區(qū)科技創(chuàng)新局、玻色量子）

他們用人類的尺度揭示量子特性！解讀2025年諾貝爾物理學獎

2025年是量子力學誕生一百周年。量子力學描述的是什么？是在單個粒子尺度上才“顯現(xiàn)”的物理特性。在量子物理學中，這些現(xiàn)象比光學顯微鏡所能觀測到的還要小得多，它們被稱為“微觀”現(xiàn)象。

這與由大量粒子構成的“宏觀”現(xiàn)象形成對比。例如，一個日常生活中常見的球，由分子組成來描述的話就是天文數(shù)字級別的，它不會表現(xiàn)出任何量子力學效應。人們都知道，每次把球扔向墻壁，它都會反彈回來。然而，一個單獨的粒子在其微觀世界中，有時卻能直接穿過類似墻的障礙，出現(xiàn)在“墻”的另一側。這種量子力學現(xiàn)象被稱為“隧穿”。

今年的諾貝爾物理學獎，表彰了那些在宏觀尺度上、涉及大量粒子的情況下，成功觀測到量子隧穿現(xiàn)象的實驗。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯三位科學家在美國加州大學伯克利分校進行的一系列實驗，構建了一個包含兩個超導體的電路。超導體是能夠以零電阻傳導電流的材料，這兩個超導體之間由一層完全不導電的薄材料隔開。但在實驗中，他們證明了可以控制并研究一種現(xiàn)象：超導體中的所有帶電粒子協(xié)同運動，表現(xiàn)得就像一個單一的粒子，充滿整個電路。

這種類粒子系統(tǒng)被束縛在一個有電流流動但沒有電壓的狀態(tài)中。在實驗中，該系統(tǒng)通過量子隧穿效應展現(xiàn)出了量子特性：從零電壓狀態(tài)中逃逸出來，并產生一個電勢差（電壓）。

與此同時，今年的三位獲獎者還證明了這一系統(tǒng)的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量吸收或釋放能量。

什么是隧穿？

為了開展研究，三位獲獎者借助了數(shù)十年來發(fā)展起來的理論概念和實驗工具。

我們知道，量子物理與相對論共同構成了所謂“現(xiàn)代物理學”的基礎。過去一個世紀以來，無數(shù)科研人員一直在探索其深遠含義。

單個粒子發(fā)生隧穿的現(xiàn)象，其實早已為人所知。1928年，物理學家喬治·伽莫夫意識到，正是隧穿效應導致某些重原子核以特定方式發(fā)生衰變。原子核內部各種力的相互作用在其周圍形成了一道勢壘，將內部粒子束縛其中。然而，盡管存在這道勢壘，原子核的一小部分仍有時能分裂出來，穿過勢壘逃逸出去，從而使原來的原子核轉變?yōu)榱硪环N元素。如果沒有隧穿效應，這類核衰變就不可能發(fā)生。

隧穿是一種量子力學過程，其中包含著隨機性。某些類型的原子核具有又高又寬的勢壘，因此其粒子需要很長時間才能出現(xiàn)在勢壘之外；而另一些類型的原子核則更容易發(fā)生衰變。如果人們只觀察單個原子，那無法預測隧穿何時會發(fā)生；但通過觀測大量同種原子核的衰變行為，可以測量出隧穿發(fā)生的平均時間。描述這一現(xiàn)象最常見的方法是“半衰期”概念，即樣品中一半原子核發(fā)生衰變所需的時間。

一個被勢壘束縛的量子力學系統(tǒng)可以具有不同的能量，但它只能吸收或釋放特定數(shù)量的能量。這種特性稱為量子化。在較高能級時，隧穿更容易發(fā)生。

物理學家很快開始思考：是否有可能研究一種涉及多個粒子同時參與的隧穿現(xiàn)象？探索新型實驗的一個方向，源自某些材料在極低溫下出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象。

在普通導電材料中，電流的產生是由于存在可在整個材料中自由移動的電子。在某些材料中，穿過導體的獨立電子會變得有序，形成一種協(xié)調一致的“舞蹈”，毫無阻力地流動。此時材料就變成了超導體，而電子則兩兩結合成對。這種電子對被稱為“庫珀對”，以萊昂·庫珀命名。他與約翰·巴丁和羅伯特·施里弗共同詳細描述了超導體的工作機制（三人因此獲得1972年諾貝爾物理學獎）。

庫珀對的行為與普通電子完全不同。電子具有很強的“個體性”，傾向于彼此保持距離——兩個具有相同性質的電子不可能處于同一狀態(tài)。這一點在原子中可以明顯看到，例如電子分布在不同的能級（即電子殼層）上。然而，當超導體中的電子結成對后，它們的部分個體性就消失了；雖然兩個獨立的電子總是可區(qū)分的，但兩個庫珀對卻可以完全相同。這意味著超導體中的所有庫珀對可以被描述為一個整體，一個統(tǒng)一的量子力學系統(tǒng)。用量子力學的語言來說，它們具有一個共同的波函數(shù)。這個波函數(shù)描述了在給定狀態(tài)下觀測到該系統(tǒng)的概率及其具有的特定性質。

科學家們的起步

這些課題恰好契合約翰·克拉克的研究。他當時是美國加州大學伯克利分校的教授，此前于1968年在英國劍橋大學獲得博士學位后移居美國。在伯克利，他組建了自己的研究團隊，專注于利用超導體和約瑟夫森結來探索多種物理現(xiàn)象。

到20世紀80年代中期，米歇爾·H·德沃雷特在巴黎獲得博士學位后，作為博士后加入了約翰·克拉克的研究團隊。該團隊還包括博士生約翰·M·馬丁尼斯。他們三人共同承擔起證明“宏觀量子隧穿”的挑戰(zhàn)。實驗裝置必須極其精細，并采取大量措施屏蔽外界干擾。他們成功地優(yōu)化并精確測量了電路的所有特性，從而能夠深入理解該系統(tǒng)的運行機制。

為了測量量子現(xiàn)象，他們向約瑟夫森結注入一個微弱的電流，并測量電壓（電壓與電路中的電阻相關）。最初，約瑟夫森結兩端的電壓為零，這符合預期，因為系統(tǒng)的波函數(shù)被限制在一個不會產生電壓的狀態(tài)中。接著，他們研究了系統(tǒng)從該狀態(tài)隧穿出去所需的時間，一旦發(fā)生隧穿，就會出現(xiàn)電壓。由于量子力學本質上具有隨機性，他們進行了大量重復測量，并將結果繪制成圖，從中讀取零電壓狀態(tài)的持續(xù)時間。這種方法類似于通過大量衰變事件的統(tǒng)計來測量原子核的半衰期。

三位科學家構建了一個使用超導電路的實驗裝置。承載該電路的芯片尺寸約為一厘米。此前，隧穿效應和能量量子化主要在僅含少數(shù)粒子的系統(tǒng)中被研究；而在此實驗中，這些量子現(xiàn)象出現(xiàn)在一個包含數(shù)十億個庫珀對的宏觀量子系統(tǒng)中，這些庫珀對遍布整個芯片上的超導體。因此，這項實驗將量子效應從微觀尺度推進到了宏觀尺度。

這種隧穿現(xiàn)象表明，實驗中那些協(xié)調運動的庫珀對，表現(xiàn)得就像一個巨大的單一粒子。當科學家們進一步觀察到系統(tǒng)具有分立的、量子化的能級時，這一結論得到了進一步證實。

量子力學之所以得名，正是源于人們發(fā)現(xiàn)微觀過程中的能量，是以離散的“包”（即量子）形式存在的。今年的三位獲獎者向零電壓狀態(tài)引入了不同波長的微波，發(fā)現(xiàn)其中某些頻率的微波被系統(tǒng)吸收，導致系統(tǒng)躍遷到更高的能級。這表明：當系統(tǒng)能量更高時，零電壓狀態(tài)的持續(xù)時間更短——這正是量子力學所預測的結果。

理論與實踐意義

這項實驗對理解量子力學具有深遠影響。以往在宏觀尺度上展示的量子效應，通常是由大量微小單元各自獨立的量子性質疊加而成。這些微觀組分共同導致宏觀現(xiàn)象，例如激光、超導體和超流體。然而，這一實驗卻不同：它從一個本身就具有宏觀性的狀態(tài)，即大量粒子共享的統(tǒng)一波函數(shù)產生了一個宏觀效應——可測量的電壓。

理論物理學家安東尼·萊格特曾將獲獎者的宏觀量子系統(tǒng)，與著名的“薛定諤的貓”思想實驗相比較。在該思想實驗中，如果不去觀察，貓就同時處于“活著”和“死亡”的疊加態(tài)（薛定諤因此獲得1933年諾貝爾物理學獎）。這個思想實驗的初衷是揭示這種狀態(tài)的荒謬性，因為在宏觀尺度上，量子力學的特殊性質通常會被抹去。人們無法在實驗室中真正展示一只貓的量子疊加態(tài)。

然而，萊格特認為，今年三位獲獎者所進行的一系列實驗表明，確實存在一些現(xiàn)象，其中大量粒子共同表現(xiàn)出量子力學所預測的行為。盡管由眾多庫珀對構成的這個宏觀系統(tǒng)在尺寸上仍比一只小貓小好幾個數(shù)量級，但由于實驗測量的是整個系統(tǒng)的整體量子特性，因此在量子物理學家看來，它與薛定諤那只假想中的貓在本質上是相當類似的。

這類宏觀量子態(tài)，為人們利用微觀粒子世界規(guī)律進行新實驗提供了新的可能。它可以被視為一種“大型人工原子”——一個帶有電纜和接口的人工原子，可以連接到新的測試裝置中，或用于開發(fā)新型量子技術。例如，這類人工原子可用于模擬其他量子系統(tǒng)，幫助人們理解它們的性質。

另一個實用例子，則是馬丁尼斯后來進行的量子計算機實驗，該實驗正是利用了他與另外兩位獲獎者所研究的能量量子化特性——他使用具有量子化能級的電路作為信息載體，即量子比特（qubit）。最低能級和第一個激發(fā)態(tài)分別代表“0”和“1”，這正是構建未來量子計算機的技術路徑之一。

可以說，今年的獲獎者不僅深化了人們對物理世界的理解，也為發(fā)展新一代量子技術包括量子加密、量子計算和量子傳感等領域開辟了新路徑。

諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃里克松表示：“量子力學在百年發(fā)展歷程中持續(xù)帶來新突破，值得共同慶賀。而這項研究更具重大應用價值，因為量子力學是所有數(shù)字技術的基石?！?/p>

（內容來源：科技日報記者 張夢然）

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