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撰文 | 王之鑫

2025年適逢量子力學(xué)創(chuàng)立一百周年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也授予了在人造電路中率先發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)現(xiàn)象的三位物理學(xué)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(xué)獎(jiǎng)在繼2012年與2022年后再次表彰當(dāng)代量子物理前沿領(lǐng)域的奠基性實(shí)驗(yàn)工作。

01 量子物理與量子機(jī)器

在人們的通常概念中，量子力學(xué)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。自上世紀(jì)以來(lái)，量子物理的科學(xué)成果衍生出了廣泛而深刻的實(shí)際應(yīng)用——包括精密測(cè)量、激光技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像以及基于半導(dǎo)體器件和集成電路的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)與電子信息系統(tǒng)。

然而迄今為止，科學(xué)家與工程師們對(duì)量子物理許多細(xì)節(jié)規(guī)律的認(rèn)識(shí)依然有限。這其中一個(gè)不容忽視的原因是——微觀粒子的極小尺度為量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用帶來(lái)了天然的挑戰(zhàn)。

二十世紀(jì)后期，世界各地的物理學(xué)家陸續(xù)開始在特殊實(shí)驗(yàn)條件下直接研究單個(gè)微觀粒子（比如原子或光子）并控制、測(cè)量它們的量子力學(xué)行為。由此產(chǎn)生一系列重要進(jìn)展開啟了一個(gè)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(jìn)行高度可控的量子物理實(shí)驗(yàn)，從而追求對(duì)量子力學(xué)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(gè)備受關(guān)注的研究方向是量子信息處理，其目標(biāo)在于利用量子力學(xué)原理（比如物體同一時(shí)刻能夠處于不同經(jīng)典狀態(tài)的量子疊加、多個(gè)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(duì)信息進(jìn)行編碼、運(yùn)算、傳輸、檢測(cè)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(duì)計(jì)算、模擬、加密、傳感等領(lǐng)域的某些特定任務(wù)時(shí)會(huì)具備理論上不同程度的性能、效率或安全優(yōu)勢(shì)。

但是在現(xiàn)實(shí)中，實(shí)現(xiàn)這類擁有特殊信息處理功能的量子機(jī)器難度極大——它要求科學(xué)家必須掌握高度可靠、可控并同時(shí)能在復(fù)雜的人造實(shí)驗(yàn)環(huán)境下保持量子力學(xué)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(jī)器」有可能存在嗎？如果可能，它會(huì)有怎樣的具體原理與結(jié)構(gòu)呢？

02 宏觀超導(dǎo)量子電路

1985 年 10 月，彼時(shí)正于加州大學(xué)伯克利分校工作的三位年輕科學(xué)家（也是今年的三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）發(fā)表了一組極具開創(chuàng)性研究結(jié)果——通過嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)，他們?cè)诔瑢?dǎo)電路中首次發(fā)現(xiàn)了遵循量子力學(xué)定律的宏觀物理變量。

超導(dǎo)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(dǎo)體中，原本獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電子兩兩結(jié)合成為庫(kù)珀對(duì)(Cooper pair)，它們是超導(dǎo)電流的微觀載體；數(shù)以億萬(wàn)計(jì)的庫(kù)珀對(duì)會(huì)凝聚于一個(gè)宏觀基態(tài)，其波函數(shù)擁有一個(gè)相位變量，能夠描述大量庫(kù)珀對(duì)的集體運(yùn)動(dòng)。

在日常經(jīng)驗(yàn)里，我們對(duì)這種表現(xiàn)微觀粒子集體運(yùn)動(dòng)的宏觀變量其實(shí)并不陌生。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是質(zhì)心運(yùn)動(dòng)——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(xué)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(yùn)動(dòng)模式，而不會(huì)追蹤每個(gè)原子的單獨(dú)軌跡或者眾多原子之間的相對(duì)移動(dòng)。因此在直觀上，庫(kù)珀對(duì)凝聚體的相位變量可以類比于小球或擺錘的質(zhì)心坐標(biāo)——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(yàn)證超導(dǎo)相位變量的宏觀量子特性，三位科學(xué)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(dǎo)體和中間一層納米厚度的絕緣體組成；由于庫(kù)珀對(duì)的量子隧穿效應(yīng)，約瑟夫森結(jié)不僅能夠傳導(dǎo)超導(dǎo)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(yàn)量子力學(xué)的關(guān)鍵。

在實(shí)驗(yàn)中，三人小組通過仔細(xì)設(shè)計(jì)的濾波電路將一個(gè)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(duì)零度以上 0.02 攝氏度）。他們清晰地測(cè)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(shuō)，就是量子力學(xué)允許物體無(wú)需越過運(yùn)動(dòng)路徑上勢(shì)能的最高點(diǎn)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(kù)珀對(duì)穿過約瑟夫森結(jié)中間的絕緣薄層是兩個(gè)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(yùn)動(dòng)自由度）的量子行為。

電流偏置約瑟夫森結(jié)的等效勢(shì)能圖示：在超導(dǎo)狀態(tài)下，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)可用相位變量差φ的一維宏觀運(yùn)動(dòng)描述。藍(lán)色實(shí)線軌跡 (C) 對(duì)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(lán)色虛線位置所示的勢(shì)能最高點(diǎn)；但即使物體能量不足以越過勢(shì)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(shí)中，觀察到明顯的宏觀量子隧穿現(xiàn)象所需要的實(shí)驗(yàn)溫度通常遠(yuǎn)低于電路材料自身的超導(dǎo)臨界溫度。

電流偏置約瑟夫森結(jié)的等價(jià)宏觀力學(xué)模型：圓形單擺相對(duì)于豎直位置的夾角 φ 對(duì)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(xì)繩纏繞懸掛在擺軸上，代表外加偏置電流對(duì)系統(tǒng)能量的影響；藍(lán)色實(shí)線 (C) 與紅色虛線 (Q) 分別指代單擺順時(shí)針擺至平面右側(cè)的經(jīng)典力學(xué)軌跡與量子隧穿過程。上下兩圖中以相同記號(hào)標(biāo)注的物體勢(shì)能局部最低點(diǎn)（黑色實(shí)線）、局部最高點(diǎn)（藍(lán)色虛線）和逃逸后位置（黑色虛線）逐一對(duì)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(cè)量的啟發(fā)，三位科學(xué)家還用頻率接近當(dāng)今無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)信號(hào)的微波電磁輻射來(lái)激發(fā)實(shí)驗(yàn)電路，結(jié)果如預(yù)期觀測(cè)到了分立的量子化能級(jí)——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(shí)驗(yàn)所使用的超導(dǎo)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(jì)與制造的宏觀器件，卻又與天然原子一樣嚴(yán)格遵守量子力學(xué)規(guī)律。經(jīng)典與量子世界之間的一個(gè)重要尺度邊界從此被打破。

03 人造原子與量子計(jì)算

超導(dǎo)人造原子的發(fā)明對(duì)此后量子物理與技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。在基礎(chǔ)科學(xué)意義上，它證實(shí)了支配微觀粒子的量子力學(xué)定律同樣適用于人造系統(tǒng)中的宏觀變量。與此同時(shí)，宏觀量子電路的成功實(shí)驗(yàn)也為科學(xué)家實(shí)現(xiàn)構(gòu)想中的復(fù)雜量子機(jī)器提供了全新的方案——除了天然的原子或光子，量子機(jī)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(jì)和與現(xiàn)代工程技術(shù)的良好兼容為實(shí)驗(yàn)與理論研究提供了廣闊的探索空間。

自上世紀(jì)九十年代起，世界范圍內(nèi)越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)室（包括三位諾貝爾獎(jiǎng)得主各自領(lǐng)導(dǎo)的研究組）開始以超導(dǎo)量子電路為基礎(chǔ)嘗試構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)?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(dǎo)量子比特——每個(gè)超導(dǎo)量子比特都包含一個(gè)或多個(gè)約瑟夫森結(jié)，其本質(zhì)是構(gòu)型更復(fù)雜、量子特征更顯著的人造原子。截至目前，科學(xué)家已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)中快速、精確地實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特的狀態(tài)預(yù)設(shè)、邏輯控制、遠(yuǎn)程糾纏、非破壞測(cè)量以及簡(jiǎn)單的量子邏輯編碼與糾錯(cuò)，并能用其執(zhí)行一些最初級(jí)的量子計(jì)算與模擬任務(wù)；但是這些人造量子電路的進(jìn)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(xué)獎(jiǎng)的通俗科普（英文版已于加州大學(xué)圣巴巴拉分校的合作媒體平臺(tái) The Conversation 在線發(fā)表）；后記部分則通過原始文獻(xiàn)與口述歷史對(duì)此次獲獎(jiǎng)工作的歷史意義和現(xiàn)實(shí)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?jī)?nèi)容。

04 后記：量子力學(xué)的未知邊界

二十世紀(jì)初，物理學(xué)經(jīng)歷了自近代以來(lái)最為深刻的概念與理論革命——相對(duì)論與量子力學(xué)的建立開啟了人類認(rèn)識(shí)自然基本規(guī)律的新紀(jì)元。特別是以違反直覺著稱的量子力學(xué)因其對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)大的解釋與預(yù)測(cè)能力成為了現(xiàn)代物理學(xué)最重要的基石。

時(shí)至二戰(zhàn)前后，量子力學(xué)的理論框架已趨于成熟；它在物理學(xué)的各個(gè)分支（例如原子物理、固體物理、核物理、粒子物理等）以及化學(xué)與工程學(xué)科中的具體應(yīng)用也愈發(fā)廣泛，并直接催生了包括半導(dǎo)體晶體管在內(nèi)的諸多重要技術(shù)發(fā)明。不過與此同時(shí)，于實(shí)踐層面極其成功的量子力學(xué)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(xué)的適用范圍究竟是什么？或者說(shuō)，量子物理與經(jīng)典物理的具體邊界到底在哪里？

一個(gè)清晰、明確的適用范圍是任何科學(xué)理論得以有效的必要前提。然而時(shí)至今日，科學(xué)家對(duì)于量子力學(xué)適用邊界的認(rèn)知依然相當(dāng)模糊：在小規(guī)模的微觀粒子體系及其簡(jiǎn)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(xué)毫無(wú)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(gè)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(zhǔn)確定義與理解自量子力學(xué)誕生之初就一直困擾著物理學(xué)家們。

與現(xiàn)代物理學(xué)的其它主要理論成就對(duì)比，量子力學(xué)「適用范圍不明」的問題顯得尤其突出。相比之下，相對(duì)論在很大程度上可被視為經(jīng)典力學(xué)在高速運(yùn)動(dòng)與強(qiáng)引力情形下的修正（最淺顯的例子是，狹義相對(duì)論的基本公式都可以在物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速的低速極限下自然過渡到熟悉的牛頓力學(xué)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(duì)應(yīng)。如果簡(jiǎn)短總結(jié)，我們只能籠統(tǒng)地說(shuō)量子力學(xué)會(huì)在物質(zhì)體系的作用量(action)接近普朗克常數(shù)量級(jí)時(shí)得到顯著表現(xiàn)，而對(duì)物體的尺寸、重量、粒子數(shù)、復(fù)雜度等屬性都沒有內(nèi)在要求。

那么，量子力學(xué)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(jiǎn)單推廣至宏觀物體乃至高等生物后會(huì)導(dǎo)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(shí)的；但另一方面，Schr?dinger 的思想實(shí)驗(yàn)（及其各種衍生版本）卻吸引了一些物理學(xué)家去尺度遠(yuǎn)大于原子、分子的系統(tǒng)中探尋量子力學(xué)的蹤跡。

上世紀(jì)中葉，科學(xué)家尋找「薛定諤貓」的努力開始取得一些進(jìn)展——人們?cè)诔瑢?dǎo)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(dǎo)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(xué)在宏觀尺度必定成立呢？

七十年代末至八十年代，彼時(shí)已因解釋 3He 超流現(xiàn)象而聞名學(xué)界（并后來(lái)因此獲得 2003 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）的理論物理學(xué)家 Anthony Leggett 在一系列報(bào)告與論文[Leggett, 1978; 1980; 1984a; 1984b; 1987]中提出了一個(gè)犀利而深刻的觀點(diǎn)：他認(rèn)為此前人們?cè)诔瑢?dǎo)、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(xué)存在本質(zhì)區(qū)別——前者僅是微觀量子物理機(jī)制的宏觀累積，而后者的確鑿驗(yàn)證需要在具體實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到一個(gè)宏觀物理變量無(wú)歧義的量子力學(xué)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)語(yǔ)言解釋這些現(xiàn)象時(shí)只要求薛定諤方程能正確預(yù)測(cè)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(cè)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(shuō)，我們有可能觀測(cè)到對(duì)應(yīng)不同宏觀屬性的量子態(tài)的疊加結(jié)果嗎？[...] 討論這個(gè)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(duì)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(jìn)一步探究對(duì)此類變量動(dòng)力學(xué)的量子力學(xué)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(xué)者的 Leggett 還為自己的實(shí)驗(yàn)同行給出了準(zhǔn)確的方向性建議——他認(rèn)為滿足量子力學(xué)規(guī)律的宏觀變量最有希望在包含約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電路中被首先發(fā)現(xiàn)。

Leggett 的新穎提議引起了當(dāng)時(shí)任教于加州大學(xué)伯克利分校的 John Clarke 及其實(shí)驗(yàn)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(dǎo)約瑟夫森電路的制備與測(cè)量方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)，而彼時(shí)剛從法國(guó)取得博士學(xué)位的 Devoret 則帶來(lái)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(xué)技術(shù)。三人當(dāng)即決定在伯克利的實(shí)驗(yàn)室開始這項(xiàng)令人期待的研究。

首先，三位科學(xué)家選擇了一個(gè)與 Leggett 的最初設(shè)想方案稍有不同的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)是：實(shí)驗(yàn)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(duì)簡(jiǎn)單的物理測(cè)量對(duì)量子力學(xué)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(jì)中被普遍沿用。

[...] 勢(shì)阱的非諧性極其重要。簡(jiǎn)諧振子的二次勢(shì)阱會(huì)導(dǎo)致能級(jí)間距與量子數(shù)無(wú)關(guān)。相反，對(duì)于具有低量子數(shù)的非諧勢(shì)阱，其能級(jí)躍遷能夠被清晰區(qū)分——這與高量子數(shù)情形下玻爾對(duì)應(yīng)原理 (correspondence principle) 的普遍適用形成鮮明對(duì)比。正如Leggett所精辟指出的——非諧振子使我們得以「規(guī)避對(duì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入了巧妙的測(cè)量機(jī)制——超導(dǎo)相位變量差的逃逸或隧穿被轉(zhuǎn)換和「放大」為一個(gè)更容易直接測(cè)量的宏觀電壓信號(hào)。測(cè)量方法的不斷創(chuàng)新改進(jìn)也成為超導(dǎo)量子電路四十年來(lái)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(cè)。宏觀量子隧穿則是一種揭示（量子效應(yīng)）極其靈敏的實(shí)驗(yàn)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(jì)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(cuò)誤計(jì)數(shù)」的經(jīng)典競(jìng)爭(zhēng)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(shí)驗(yàn)往往需要苛刻的環(huán)境條件——對(duì)于人造量子電路，兩項(xiàng)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(duì)量子系統(tǒng)各種形式的噪聲干擾。其中，實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)應(yīng)的熱噪聲需要遠(yuǎn)低于量子化能級(jí)之間的躍遷能量——現(xiàn)實(shí)中一般在 10 mK 量級(jí)，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(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)仍舊遵循相同的溫度要求（注：它除了必須遠(yuǎn)低于電路材料自身的超導(dǎo)臨界溫度外與后者并無(wú)直接聯(lián)系）。

通常我們只能觀察到臺(tái)球或布朗運(yùn)動(dòng)粒子的經(jīng)典行為，這是因?yàn)槠绽士顺?shù)?極其微小。但至少在原則上，我們完全有可能設(shè)計(jì)出讓這些物體展現(xiàn)量子行為的實(shí)驗(yàn)。這樣的系統(tǒng)需滿足兩個(gè)條件：(i) 熱激發(fā)能量必須遠(yuǎn)小于量子化能級(jí)的間距；(ii) 若要使量子態(tài)的壽命超過系統(tǒng)特征時(shí)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(jì)思路后，三人小組在余下的兩年時(shí)間內(nèi)完成了實(shí)驗(yàn)搭建、樣品制備以及所有關(guān)鍵結(jié)果的測(cè)量與分析，并用兩篇實(shí)驗(yàn)論文[Devoret et al., 1985; Martinis et al., 1985]匯報(bào)了宏觀量子隧穿與能級(jí)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(dòng)機(jī)與結(jié)論——

宏觀自由度遵循量子力學(xué)規(guī)律嗎？直至最近，這個(gè)問題一直超出科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究范圍。量子力學(xué)在宏觀尺度僅能通過超流、超導(dǎo)、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(xí)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(xué)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)雖然包含大量原子，卻與（單個(gè)）原子一樣具備遵循量子力學(xué)規(guī)律的單一自由度。[Martinis et al., 1987]

從時(shí)間線上回顧，伯克利三人組并非首個(gè)嘗試于超導(dǎo)約瑟夫森電路中尋找宏觀量子隧穿現(xiàn)象的研究團(tuán)隊(duì)；但是他們實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性與說(shuō)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(diǎn)是：三位科學(xué)家與期間參與部分研究的 Daniel Estève 一起對(duì)實(shí)驗(yàn)中的超導(dǎo)電路進(jìn)行了準(zhǔn)確的建模分析，并通過多個(gè)輔助與對(duì)照實(shí)驗(yàn)獨(dú)立測(cè)得了全部模型參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)期之間無(wú)需任何變量擬合的直接比對(duì)——這使得宏觀量子力學(xué)從此成為「超越合理懷疑」的科學(xué)事實(shí)。

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

我們能否依此斷言宏觀自由度一定遵循量子力學(xué)呢？實(shí)驗(yàn)科學(xué)家當(dāng)前有兩種可以選擇的態(tài)度：理想主義或?qū)嵱弥髁x。
對(duì)于擔(dān)心量子力學(xué)「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(xué)適用性局限的具體實(shí)驗(yàn)。[...]
但希望利用宏觀量子力學(xué)的實(shí)用主義者會(huì)回答「也許是」。他們更傾向于探索實(shí)現(xiàn)量子信號(hào)處理的新型超導(dǎo)電路 [...] 最后，實(shí)用主義者甚至?xí)O(shè)想在宏觀尺度上構(gòu)造奇特的「帶導(dǎo)線的原子」——它們可能會(huì)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(jiǎn)言之，科學(xué)家從此可以基于超導(dǎo)人造原子開發(fā)更多具有基礎(chǔ)研究或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值的量子電路；但至于量子力學(xué)的宏觀檢驗(yàn)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)僅僅是一個(gè)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(xué)在宏觀尺度有效性的局限證據(jù)，例如觀測(cè)到物體不同經(jīng)典狀態(tài)有限時(shí)間壽命的量子相干疊加。

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

2004 年，耶魯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次在超導(dǎo)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(shí)驗(yàn)體系及其物理原理被命名為電路量子電動(dòng)力學(xué)(circuit quantum electrodynamics)。

超導(dǎo)量子比特與電路量子電動(dòng)力學(xué)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(jì)與組合，作為宏觀量子機(jī)器的兩類基本元件；科學(xué)家們也開始嚴(yán)肅思考下一個(gè)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的研究目標(biāo)——超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算與人造原子的概念設(shè)想幾乎同時(shí)起源于八十年代初，但兩個(gè)研究領(lǐng)域直至九十年代末才發(fā)生明顯的交匯——超導(dǎo)量子電路作為量子計(jì)算的潛在硬件平臺(tái)開始受到廣泛關(guān)注。談及量子計(jì)算，信息科學(xué)背景的研究者也許會(huì)首先被其解決特定問題的算法優(yōu)勢(shì)所吸引；但在物理學(xué)的視角下，量子計(jì)算機(jī)本質(zhì)是一個(gè)高度復(fù)雜的人造量子系統(tǒng)，它的物理實(shí)現(xiàn)會(huì)將針對(duì)量子力學(xué)適用范圍的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)引向新的維度。

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

請(qǐng)?jiān)试S我以一個(gè)非常不確定的開放問題結(jié)束此次演講——這個(gè)問題實(shí)際上曾推動(dòng)了介觀物理學(xué)早期的部分實(shí)驗(yàn)研究：通過構(gòu)建高度復(fù)雜的（物質(zhì)）系統(tǒng)，我們或許能夠發(fā)現(xiàn)一個(gè)新方向——量子力學(xué)在此有可能不再成立。許多物理學(xué)家完全反對(duì)這一想法；他們認(rèn)為量子力學(xué)是整個(gè)物理學(xué)必須建于其上、不容置疑的基石。然而另一些物理學(xué)家則持相反觀點(diǎn)，他們認(rèn)為量子力學(xué)只是一個(gè)暫時(shí)的過渡性理論，就如同上世紀(jì)初的彈性力學(xué)理論一樣。[Devoret, 2008]

換言之，作為應(yīng)用研究目標(biāo)的量子機(jī)器同時(shí)也是探究量子理論基本問題的強(qiáng)大實(shí)驗(yàn)工具——在此意義下，基礎(chǔ)科學(xué)的未知邊界需要通過工程方法得以擴(kuò)展乃至重新定義。

2010 年代以來(lái)，量子計(jì)算正逐漸從純粹的學(xué)術(shù)研究過渡向需要學(xué)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(dǎo)或參與了工業(yè)界實(shí)驗(yàn)室的量子計(jì)算項(xiàng)目。可當(dāng)被問及對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的興趣與展望，兩位超導(dǎo)量子電路的共同發(fā)明人最多提及的還是在復(fù)雜人造系統(tǒng)中檢驗(yàn)、突破量子力學(xué)宏觀極限的「初心」——

在科學(xué)層面上，我們正在通過實(shí)踐方法檢驗(yàn)量子力學(xué)與量子計(jì)算理論是否在宏觀尺度上真正正確。物理學(xué)家希望它們是正確的——尤其是理論物理學(xué)家們，但實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的職責(zé)是驗(yàn)證其真實(shí)有效性。[...] 因此對(duì)我而言，最重要的（任務(wù)）是檢驗(yàn)量子力學(xué)。這是我想做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)最現(xiàn)實(shí)的原因。[Martinis, 2021]
盡管驗(yàn)證量子力學(xué)基本原理的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)已在多位小數(shù)精度上與理論預(yù)測(cè)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(jì)的新實(shí)驗(yàn)中被暴露出來(lái)，例如對(duì)大規(guī)模量子糾纏的檢驗(yàn)。[...] 大型量子計(jì)算機(jī)正是探索這一問題的關(guān)鍵工具 [...] [Devoret, 2021]

從1985 年至今，超導(dǎo)量子電路的理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法都已歷經(jīng)了若干代的演化改進(jìn)。目前人們基本能夠證實(shí)：在包含幾十到上百個(gè)人造原子的量子電路中，標(biāo)準(zhǔn)形式的量子力學(xué)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(cè)試越來(lái)越復(fù)雜的量子機(jī)器——直至現(xiàn)有的量子理論出現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法調(diào)和的困難為止。

在這條探索道路上，設(shè)計(jì)、制造大型量子機(jī)器的技術(shù)挑戰(zhàn)是顯然的；但我們同時(shí)應(yīng)該看到：更現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)并不止于技術(shù)層面。如今，比較復(fù)雜的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)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(lái)，這一數(shù)字以及相應(yīng)的資源需求還將繼續(xù)增長(zhǎng)，甚至有可能接近所謂的「大科學(xué)」規(guī)模。上世紀(jì)以來(lái)某些研究領(lǐng)域（例如實(shí)驗(yàn)高能物理）的歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們：對(duì)于以規(guī)模擴(kuò)展(scaling-up)為主要度量指標(biāo)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(jì)資源——這本質(zhì)上是現(xiàn)代科學(xué)公共社會(huì)屬性的一種具體呈現(xiàn)。

人類對(duì)于量子世界的認(rèn)知邊界最終會(huì)在哪里？與許多知識(shí)領(lǐng)域的未來(lái)之問一樣，它或許并不是一個(gè)單純的知識(shí)問題。其中科學(xué)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(kuò)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?？隙ǖ摹Ｒ恍┮呀?jīng)存在的具體例子包括：天然或人造原子的連續(xù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)極大地加深了物理學(xué)家對(duì)量子躍遷(quantum jump)和量子軌跡(quantum trajectory)等概念的科學(xué)理解，它們與量子力學(xué)的另一大基本理論難題——測(cè)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(tái)；此外，許多基于量子物理實(shí)驗(yàn)的精密測(cè)量方法已被應(yīng)用于探測(cè)未知基本粒子或自然基本常數(shù)的時(shí)間演化，以及材料與生命系統(tǒng)中的新奇現(xiàn)象……知識(shí)與實(shí)踐也許會(huì)有邊界，但不應(yīng)被窮盡的是人類面對(duì)自然規(guī)律的求知欲和基于科學(xué)方法的創(chuàng)造力。

我想這大概也是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)希望向世界傳遞的信息。量子力學(xué)的下一個(gè)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(xué)應(yīng)用物理系取得博士學(xué)位；現(xiàn)為加州大學(xué)圣巴巴拉分校物理系博士后研究員。

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