|作者：孫昌璞?　易淼淼　傅立斌

(中國(guó)工程物理研究院研究生院）

本文選自《物理》2025年第11期

摘要在量子力學(xué)誕生100周年之際，2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了約翰·克拉克(John Clarke)、米歇爾·H·德沃雷特(Michel H. Devoret)和約翰·M·馬蒂尼斯(John M. Martinis)，以表彰他們?cè)诤暧^系統(tǒng)量子隧道效應(yīng)及能級(jí)量子化的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)工作(圖1)［1］。圍繞此次獲獎(jiǎng)成果的科學(xué)意義，學(xué)界與公眾已展開(kāi)大量討論和解讀，但現(xiàn)在仍需要解答一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：宏觀量子現(xiàn)象研究(如超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)、玻色—愛(ài)因斯坦凝聚)此前已多次獲諾獎(jiǎng)，為何本次會(huì)再次表彰同類領(lǐng)域的工作？

文章作者孫昌璞于1990年代初曾經(jīng)在楊振寧先生指導(dǎo)下開(kāi)展相關(guān)的宏觀(介觀)系統(tǒng)量子耗散理論研究。現(xiàn)通過(guò)調(diào)研梳理獲獎(jiǎng)工作其他相關(guān)歷史文獻(xiàn)，對(duì)獲獎(jiǎng)工作的科學(xué)意義給出較專業(yè)的解讀：該工作首次對(duì)“三次量子化”(即序參量量子化)的結(jié)果——宏觀量子系統(tǒng)能級(jí)及其量子態(tài)疊加效應(yīng)，完成了確定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也可視為宏觀體系中“薛定諤貓”態(tài)物理效應(yīng)的首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。此后，超導(dǎo)量子計(jì)算的蓬勃發(fā)展推動(dòng)該領(lǐng)域成果走向公眾視野。值得注意的是，中國(guó)學(xué)者(如于揚(yáng)、游建強(qiáng)等)在不同發(fā)展階段，為延長(zhǎng)宏觀超導(dǎo)量子比特的退相干時(shí)間做出了重要貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞第三次量子化，序參量量子化，宏觀量子疊加，宏觀系統(tǒng)的能量量子化，宏觀量子隧穿

01

“三次量子化”與宏觀量子隧道效應(yīng)

從理論發(fā)展的邏輯上看，量子力學(xué)的發(fā)展有三個(gè)階段。第一階段是“一次量子化”(1925年—1930年代中期)：對(duì)單粒子系統(tǒng)的正則量子化，建立波函數(shù)與算符體系，揭示微觀結(jié)構(gòu)的分立特性(如原子光譜)；第二階段是“二次量子化”(從1930年代開(kāi)始到1970年代)：對(duì)多體系統(tǒng)(或場(chǎng))進(jìn)行量子化，通過(guò)場(chǎng)算符處理粒子間相互作用，催生了超導(dǎo)BCS理論與基本粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型；第三階段是“三次量子化”(從1980年代開(kāi)始)：把“二次量子化”多體系統(tǒng)對(duì)稱性破缺中“涌現(xiàn)”出來(lái)的宏觀序參量(如超導(dǎo)相位差)，作為新的量子化對(duì)象。2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)工作首次展示了“三次量子化”的必要性，也體現(xiàn)出其被表彰的“宏觀量子效應(yīng)”(具體為隧道效應(yīng)與能級(jí)量子化)研究，與過(guò)往獲獎(jiǎng)的約瑟夫森效應(yīng)、玻色—愛(ài)因斯坦凝聚(含超導(dǎo)、超流)等傳統(tǒng)宏觀量子現(xiàn)象有本質(zhì)區(qū)別。

圖1 2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者與獲獎(jiǎng)理由

我們先以玻色—愛(ài)因斯坦凝聚(BEC)為例，說(shuō)明什么是宏觀量子現(xiàn)象，以及描述傳統(tǒng)的宏觀量子體系的量子態(tài)的特征是什么[2]。從物理上講，當(dāng)大量全同的玻色原子做熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，物質(zhì)波的波長(zhǎng)很短，原子各自獨(dú)立，構(gòu)成了通常的宏觀物體。然而隨著溫度降低達(dá)到臨界溫度，原子運(yùn)動(dòng)的平均物質(zhì)波長(zhǎng)和原子之間的間隔差不多，原子物質(zhì)波發(fā)生顯著的相干效應(yīng)，體系就“自發(fā)”形成了一種宏觀現(xiàn)象——BEC。而描述這種對(duì)稱性自發(fā)破缺狀態(tài)的是因子化的宏觀相干態(tài)：

其中所有(準(zhǔn))粒子都在振幅為

r) (滿足Gross—Pitaevskii方程)、位相為

的相干態(tài)上，這個(gè)態(tài)是體系的能量極小化態(tài)。

對(duì)于超導(dǎo)而言，BCS態(tài)|BCS(

)>也存在這種因子化的“直積態(tài)”結(jié)構(gòu)。從物理圖像上，大體是兩個(gè)電子形成庫(kù)珀對(duì)，相當(dāng)于一個(gè)“玻色子”，大量庫(kù)珀對(duì)通過(guò)類似BEC的“凝聚”過(guò)程形成超導(dǎo)，每個(gè)庫(kù)珀對(duì)具有統(tǒng)一的位相

。而描述超導(dǎo)體的約瑟夫森效應(yīng)是兩側(cè)超導(dǎo)體的BCS態(tài)的直積態(tài)：

兩側(cè)的位相差

L -

R 是確定的。這個(gè)因子化結(jié)構(gòu)的態(tài)|

JE

)>表明體系整體并未形成跨系統(tǒng)的量子糾纏，僅體現(xiàn)獨(dú)立區(qū)域內(nèi)的宏觀量子特性。在這個(gè)宏觀量子態(tài)上計(jì)算電流

J

，可得到約瑟夫森方程：

其中

V

為偏置電壓。

因此，傳統(tǒng)的由對(duì)稱性自發(fā)破缺形成的宏觀量子體系，系統(tǒng)量子態(tài)可表示為|

(1)>? |

(2)> ?…? |

(n)> ，即每個(gè)(準(zhǔn))粒子均處于同一形式的量子單態(tài)上，整體的宏觀量子態(tài)呈現(xiàn)“直積”特征。而本次獲獎(jiǎng)的工作是針對(duì)宏觀量子疊加態(tài)，更準(zhǔn)確地說(shuō)是“薛定諤貓”態(tài)，即宏觀性質(zhì)可區(qū)分態(tài)的疊加態(tài)(以圖2(a，b)為例)：

橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)宏觀量子態(tài)(例如|BEC(

)>)的位相(或位相差)。其中，“活貓”態(tài)|

L >局域在左側(cè)-

處，“死貓”態(tài)|

R >局域在右側(cè)

處。我們可直接通過(guò)宏觀序參量位相(差)區(qū)分二者。

圖2 (a，b) “薛定諤貓”態(tài)|

E

>或|

G

>，存在能級(jí)差

；(c，d)宏觀量子隧道效應(yīng)原理：初始為“活貓”態(tài)|

L >，通過(guò)相干疊加的中間態(tài)|

t

)>演化到“死貓”態(tài)|

R >，即隧穿到右側(cè)的阱中

要從原理上嚴(yán)格區(qū)分上述傳統(tǒng)的宏觀量子現(xiàn)象與本次獲獎(jiǎng)有關(guān)的宏觀量子效應(yīng)，需依托安東尼·萊格特(Anthony Leggett)奠定的理論框架[3—6]。早在1980年，萊格特便敏銳地指出傳統(tǒng)宏觀量子現(xiàn)象的局限性，并表明宏觀量子疊加態(tài)是十分重要的。并且，他為檢驗(yàn)宏觀量子疊加態(tài)的存在，指明了最有希望的方式以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[3]。1981年，他與阿努帕姆·加格(Anupam Garg)合作提出“萊格特—加格不等式”，成為檢驗(yàn)宏觀系統(tǒng)量子特性的關(guān)鍵工具[4]。作者孫昌璞與余理華合作，早年在楊振寧先生的指導(dǎo)下，研究過(guò)萊格特工作相關(guān)的環(huán)境耗散如何影響宏觀量子效應(yīng)[7，8]。

萊格特指出，這些傳統(tǒng)的宏觀量子現(xiàn)象，并不足以證明量子力學(xué)可上升至宏觀層面[2]。因?yàn)橛懻撨@些宏觀量子現(xiàn)象，本質(zhì)上與僅從微觀上孤立地討論單一(準(zhǔn))粒子沒(méi)有太大區(qū)別。以BEC為例，我們僅需通過(guò)某個(gè)單原子態(tài)|

r)e i

>便能描述整個(gè)現(xiàn)象。換句話說(shuō)，傳統(tǒng)宏觀量子現(xiàn)象及其量子態(tài)并未在宏觀層面上體現(xiàn)出量子力學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵特征——線性疊加原理，這一特征充分展現(xiàn)量子力學(xué)特有的相干性。因此，只有展現(xiàn)出大量(準(zhǔn))粒子參與糾纏的宏觀量子疊加態(tài)，例如|BEC(

)>+|BEC(-

)>，才能充分證明量子力學(xué)在宏觀層面仍然有效。而檢驗(yàn)宏觀量子疊加態(tài)的存在，最可行的方式是觀測(cè)宏觀不同性質(zhì)的態(tài)之間的量子隧道效應(yīng)。

02

超導(dǎo)電路實(shí)現(xiàn)宏觀量子疊加與能級(jí)量子化

為什么發(fā)生宏觀量子隧道效應(yīng)就意味著存在宏觀疊加態(tài)呢？結(jié)合上面的討論，我們?nèi)砸詧D2的雙勢(shì)阱結(jié)構(gòu)為例，兩個(gè)阱(最低點(diǎn)-

和+

)中分 別可“局域”宏觀量子態(tài)|

L >與|

R >。發(fā)生宏觀量子隧穿的本質(zhì)是，系統(tǒng)的能量本征態(tài)是這兩個(gè)局域宏觀量子態(tài)的疊加態(tài)|

G

E

>～|

L >±|

R >，并且這兩個(gè)疊加態(tài)的能量本征值會(huì)因相互耦合而分裂，即存在能級(jí)差

。當(dāng)初態(tài)是“局域”在某個(gè)阱中的宏觀量子態(tài)時(shí)，例如 |

L> ，由于不是能量本征態(tài)，系統(tǒng)在一段時(shí)間后便會(huì)演化到另一個(gè)宏觀態(tài) |

L> → |

R> ，即隧穿到另一個(gè)阱中，相應(yīng)整體“局域”的序參量位相(差)從-

變到了+

需要特別指出，盡管在傳統(tǒng)約瑟夫森效應(yīng)中，“宏觀”電流

J

的出現(xiàn)也源于量子隧道效應(yīng)，但是其與上述宏觀量子隧道效應(yīng)有本質(zhì)的不同。如圖3所示，約瑟夫森效應(yīng)產(chǎn)生的“宏觀”電流，是微觀上各個(gè)孤立的庫(kù)珀對(duì)分別發(fā)生隧穿的經(jīng)典累積結(jié)果，而不同庫(kù)珀對(duì)之間的相干關(guān)聯(lián)甚微。從根本上，這仍是由于體系的狀態(tài)是每個(gè)孤立的庫(kù)珀對(duì)位于兩側(cè)的疊加態(tài)的“直積態(tài)”，即

。相反，宏觀量子隧道效應(yīng)則是大量(準(zhǔn))粒子“凝聚”在一起，整體發(fā)生量子隧穿。

圖3 傳統(tǒng)約瑟夫森結(jié)中的量子隧道效應(yīng)(a)與宏觀量子隧道效應(yīng)(b)的區(qū)別(橙色間隙代表充當(dāng)勢(shì)壘的絕緣體)。(a)孤立的庫(kù)珀對(duì)分別發(fā)生隧穿，累積產(chǎn)生“宏觀”電流

J ；(b)大量的庫(kù)珀對(duì)“凝聚”在一起，宏觀的“庫(kù)珀對(duì)凝聚體”整體發(fā)生量子隧穿

萊格特的理論表明[5]，即便存在環(huán)境耗散，超導(dǎo)電路中的宏觀變量(如相位(差)、磁通量)仍可呈現(xiàn)量子隧道效應(yīng)與離散能級(jí)特性，因此，可以為構(gòu)造多勢(shì)阱、檢驗(yàn)宏觀量子疊加態(tài)等提供良好的平臺(tái)。我們以由約瑟夫森結(jié)與電阻

R

、電容

C

并聯(lián)的超導(dǎo)電路為例。其總電流為

由此可得到電流偏置為

時(shí)的序參量位相差

滿足的方程：

以上忽略了外部環(huán)境的噪聲與漲落，但有電阻電容引起的耗散

RC

。并且

C =?

C

/(2

e

)。上述方程等效于在勢(shì)

中的阻尼運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)相對(duì)于

的“搓衣板”勢(shì)，存在多個(gè)勢(shì)阱(圖4)。將宏觀體系的位相差

聯(lián)想成一個(gè)“微觀粒子”的變量(類似坐標(biāo))，如上節(jié)所述，“微觀粒子”穿透過(guò)勢(shì)的壘部，從一個(gè)阱到另一個(gè)阱，即為宏觀量子隧道效應(yīng)。另外，“微觀粒子”在某一個(gè)阱中，可以形成具有多個(gè)分立能級(jí)的束縛態(tài)，這就是宏觀量子體系的能級(jí)量子化。

圖4 “搓衣板”勢(shì)

U

) 示意圖。實(shí)線為勢(shì)能曲線，虛線代表每個(gè)勢(shì)阱中的量子化能級(jí)

03

諾貝爾獎(jiǎng)表彰的實(shí)驗(yàn)工作簡(jiǎn)述

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的貢獻(xiàn)之一是實(shí)驗(yàn)證實(shí)該宏觀體系的分立能級(jí)[9，10]。量子隧穿將隨著高能級(jí)的布居數(shù)增多而顯著增大，但是實(shí)驗(yàn)中溫度遠(yuǎn)低于能級(jí)差，所以高能級(jí)幾乎沒(méi)有布居，因此較難看到隧穿。實(shí)驗(yàn)(圖5)用固定頻率的微波場(chǎng)去激發(fā)這一宏觀體系，并通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電流

以改變勢(shì)場(chǎng)

U

)，各能級(jí)間隔也會(huì)隨之改變。當(dāng)能級(jí)間隔與微波場(chǎng)頻率發(fā)生共振時(shí)，高能級(jí)就有顯著的布居，量子隧穿也容易發(fā)生，所以改變電流就看到了一些高隧穿率的共振峰。這一現(xiàn)象成為“三次量子化”框架下宏觀疊加量子態(tài)存在的關(guān)鍵證據(jù)。

圖5 通過(guò)微波共振實(shí)驗(yàn)證實(shí)能量量子化存在：(a)圖展示調(diào)節(jié)系統(tǒng)電流I以改變勢(shì)場(chǎng)與相應(yīng)能級(jí)間隔(插圖)，出現(xiàn)3個(gè)箭頭所示的隧穿共振峰，從右至左分別對(duì)應(yīng) “0→1”， “1→2” 和 “2→3” 能級(jí)躍遷。(b)圖中的曲線表示量子化后所計(jì)算的能級(jí)差隨電流

的改變，箭頭處的交點(diǎn)表示與微波發(fā)生共振時(shí)的電流

。散點(diǎn)展示“0→1”能級(jí)差的誤差范圍 [9，10]

另一個(gè)貢獻(xiàn)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功地實(shí)現(xiàn)了“自發(fā)的”宏觀量子隧穿現(xiàn)象[9，11]，檢驗(yàn)了宏觀量子疊加態(tài)的出現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了進(jìn)行“三次量子化”的必要性，即“序參量量子化”的關(guān)鍵特征是什么。當(dāng)勢(shì)阱中的粒子處于較高溫度時(shí)，主要通過(guò)熱激活實(shí)現(xiàn)逃逸(熱逃逸)，其逃逸率隨溫度升高而增大；當(dāng)溫度降低時(shí)，熱逃逸率會(huì)逐漸減小，但降低到一定程度后，這種趨勢(shì)會(huì)變得平緩甚至逐漸穩(wěn)定，此時(shí)剩余的逃逸率主要源于量子隧穿。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)(圖6)首次清晰展示了這兩種逃逸率的差異。定義總逃逸率對(duì)應(yīng)的“有效逃逸溫度”

T

esc ，它正比于實(shí)際逃逸率的對(duì)數(shù)。對(duì)比它與實(shí)際溫度

T

的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：隨著溫度降低，有效逃逸溫度的下降逐漸趨緩，形成一個(gè)平緩的臺(tái)階，并趨于發(fā)生宏觀量子隧穿的理論預(yù)言結(jié)果 [6] 。這一臺(tái)階的出現(xiàn)，正是宏觀量子隧穿主導(dǎo)逃逸過(guò)程的直接體現(xiàn)。此外，也證明了僅靠經(jīng)典理論無(wú)法解釋低溫下的逃逸行為，必須引入量子描述，而這恰恰說(shuō)明了對(duì)序參量進(jìn)行“三次量子化”的必要性 。

圖6 “有效逃逸溫度”

T

esc (與逃逸率有某種對(duì)數(shù)關(guān)系)隨真實(shí)溫度

T

的變化。黑點(diǎn)代表量子約瑟夫森結(jié)，白點(diǎn)代表“普通結(jié)”。實(shí)對(duì)角線代表熱逃逸率的

T

esc-

T

理論關(guān)系，當(dāng)

T

降低到一定程度時(shí)，量子結(jié)的

T

esc逐漸平坦，偏離熱逃逸率關(guān)系，并趨于發(fā)生宏觀量子隧穿(MQT)的理論預(yù)言結(jié)果 [9，11]

04

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)背后的量子計(jì)算與冷原子 BEC 研究

宏觀量子效應(yīng)的觀測(cè)與應(yīng)用，核心瓶頸在于“量子相干疊加態(tài)的保持能力”——其關(guān)鍵衡量指標(biāo)為退相干時(shí)間，即量子態(tài)維持相干性的時(shí)長(zhǎng)。退相干時(shí)間越長(zhǎng)，宏觀量子效應(yīng)的穩(wěn)定性越強(qiáng)，越能彰顯三次量子化的必要性，越能支撐后來(lái)蓬勃發(fā)展的量子計(jì)算研究。在這一領(lǐng)域，中國(guó)學(xué)者做出了幾項(xiàng)被諾獎(jiǎng)官方認(rèn)可的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)，并在2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)官方科學(xué)背景材料(Scientific Background)中明確引用[1]，標(biāo)志著中國(guó)科學(xué)家在宏觀量子效應(yīng)方面不可或缺的貢獻(xiàn)。

2000年代初，南京大學(xué)于揚(yáng)教授在美國(guó)堪薩斯大學(xué)韓思遠(yuǎn)教授(華裔學(xué)者)指導(dǎo)下攻讀博士學(xué)位，針對(duì)“相位量子比特”(phase qubit)的相干性問(wèn)題展開(kāi)研究。通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)、優(yōu)化材料與環(huán)境調(diào)控方案，他們首次將相位量子比特的相位相干時(shí)間提升至10 μs量級(jí)，同時(shí)使能級(jí)退化時(shí)間達(dá)到14 μs[12]——這一成果較此前水平提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，首次證明宏觀量子態(tài)可在微秒尺度內(nèi)保持穩(wěn)定，為后續(xù)宏觀量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究與量子計(jì)算原型機(jī)的搭建奠定了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

若干年后，為突破退相干時(shí)間短的技術(shù)瓶頸，游建強(qiáng)教授與野理(Franco Nori)等合作從理論層面提出創(chuàng)新方案[13，14]：基于量子力學(xué)不確定性原理(電荷與相位的共軛關(guān)系)，通過(guò)“并聯(lián)電容”設(shè)計(jì)抑制電荷數(shù)漲落——當(dāng)電荷漲落被壓低時(shí)，相位漲落會(huì)相應(yīng)增大，使原本呈經(jīng)典特性的相位自由度轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔幼兞浚瑥亩@著增強(qiáng)系統(tǒng)的量子相干性。這一理論突破直接催生了系列技術(shù)革新，其中最具代表性的便是“Transmon量子比特”[15](目前超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域的主流量子比特類型之一)?；谠撛O(shè)計(jì)，超導(dǎo)量子比特的退相干時(shí)間被大幅提升至毫秒量級(jí)(較此前提升三個(gè)數(shù)量級(jí))，徹底解決了宏觀量子態(tài)穩(wěn)定性不足的核心問(wèn)題，為量子計(jì)算技術(shù)的實(shí)用化提供了核心支撐。

宏觀量子疊加效應(yīng)與宏觀能級(jí)量子化有可能進(jìn)一步從超導(dǎo)電路推廣到其他體系，例如BEC系統(tǒng)中。1997年，奧古斯托·斯梅爾齊(Augusto Smerzi)等首次指出，當(dāng)大量玻色原子凝聚在雙勢(shì)阱中，且阱間存在弱隧穿耦合勢(shì)壘時(shí)，兩個(gè)阱中凝聚體的宏觀相位差以及阱間“原子流”可以形成類似于約瑟夫森效應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程[16]。并且他們預(yù)言了約瑟夫森振蕩與自俘獲(self-trapping)效應(yīng)等非線性現(xiàn)象。這些結(jié)論為后續(xù)構(gòu)建等效的“BEC約瑟夫森結(jié)電路”奠定了理論框架。1998年，萊格特等進(jìn)一步建立了量子隧穿耦合的微觀模型，并證明BEC約瑟夫森效應(yīng)可以在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到[17]。

在2000年代初期，BEC約瑟夫森結(jié)的實(shí)驗(yàn)得到實(shí)現(xiàn)。邁克爾·阿爾比茲(Michael Albiez) 等通過(guò)控制雙勢(shì)阱實(shí)現(xiàn)了BEC間的約瑟夫森振蕩與自俘獲效應(yīng)[18]。隨后，沙哈爾·萊威(Shahar Levy)等構(gòu)建了環(huán)形勢(shì)阱并疊加光學(xué)“搓衣板”勢(shì)，形成可調(diào)的隧穿勢(shì)壘，測(cè)量到BEC約瑟夫森效應(yīng)中“原子流”—相位關(guān)系[19]，進(jìn)一步證實(shí)了實(shí)現(xiàn)宏觀量子隧穿的可行性。這些實(shí)驗(yàn)基本表明，BEC體系可作為研究宏觀量子疊加效應(yīng)與能級(jí)量子化的新平臺(tái)，期待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)?zāi)苷故綛EC約瑟夫森結(jié)所表現(xiàn)的宏觀量子效應(yīng)和能級(jí)量子化。

05

關(guān)于2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的幾點(diǎn)評(píng)述

2025年恰逢量子力學(xué)誕生百年，本次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)選擇表彰“電路中宏觀量子隧穿(MQT)與宏觀量子能級(jí)(ELQ)”的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)，具有特殊紀(jì)念意義。從領(lǐng)域發(fā)展脈絡(luò)來(lái)看，該獎(jiǎng)項(xiàng)的更理想獲獎(jiǎng)組合應(yīng)包含安東尼·萊格特、約翰·克拉克與詹姆斯·盧肯斯(James Lukens)三位學(xué)者——萊格特奠定理論基礎(chǔ)，克拉克與盧肯斯分別通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)體系驗(yàn)證了宏觀量子相干效應(yīng)。不過(guò)，萊格特因此前已憑借超流領(lǐng)域的研究獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(2003年)?？死苏M最終獲獎(jiǎng)，也實(shí)至名歸。

本次諾獎(jiǎng)的評(píng)選也存有一些缺憾，部分具有開(kāi)創(chuàng)性的研究成果與學(xué)者被“有意或無(wú)意忽略”了。其中最主要的是紐約州立大學(xué)石溪分校盧肯斯團(tuán)隊(duì)與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)漢斯·莫伊(Hans Mooij)團(tuán)隊(duì)的工作。1985年，盧肯斯團(tuán)隊(duì)利用射頻超導(dǎo)量子干涉裝置(rf SQUID)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)[20]——在可調(diào)諧雙勢(shì)阱系統(tǒng)中，首次在“磁通量變量”(相當(dāng)于超導(dǎo)序參量)這一宏觀物理量中觀測(cè)到量子隧穿效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中，他們測(cè)得隧穿速率

? 10 -2 —10 2 s -1 ，勢(shì)壘高度Δ

U

k

B ?0.1—1 K，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與WKB (Wentzel—Kramers—Brillouin)量子隧穿理論的吻合度達(dá)20%。這一實(shí)驗(yàn)與克拉克團(tuán)隊(duì)的“約瑟夫森結(jié)實(shí)驗(yàn)”形成完美互補(bǔ)：克拉克團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了“相位變量”的宏觀量子效應(yīng)，盧肯斯團(tuán)隊(duì)則驗(yàn)證了“磁通量變量”的宏觀量子效應(yīng)，二者共同證明宏觀量子隧穿與能級(jí)量子化是宏觀系統(tǒng)的普適特性，而非特定變量的偶然現(xiàn)象。1999年，莫伊團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)磁通量子比特 [21] ——通過(guò)將超導(dǎo)環(huán)中持續(xù)電流形成的磁通作為宏觀變量，觀測(cè)到宏觀量子相干(MQC)現(xiàn)象。這一工作拓展了宏觀量子效應(yīng)的研究體系(從電荷、磁通量拓展到電流)，首次證明宏觀量子相干疊加態(tài)可在更復(fù)雜的超導(dǎo)電路中實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)量子比特的多樣化設(shè)計(jì)提供了重要思路，也是宏觀量子力學(xué)向技術(shù)應(yīng)用開(kāi)拓發(fā)展的關(guān)鍵。

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《物理》50年精選文章