在量子力學百年頒發的這個諾獎，並不讓人意外！他們的發現打開量子計算大門
2025年諾貝爾物理學獎10月7日頒出，三位美國科學家——加州大學伯克利分校的約翰·克拉克（John Clarke）、耶魯大學的米歇爾·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和加州大學聖巴巴拉分校的約翰·M·馬蒂尼斯（John M. Martinis），因爲“在電路中發現宏觀量子力學隧穿和能量量子化”方面的傑出貢獻，共同獲得今年的諾獎。
今年是海森堡創立矩陣力學（量子力學三種表達形式之一）100週年，所以今年也被聯合國定爲國際量子科學技術年。在此次頒獎前，學界就普遍預測，今年的諾貝爾物理學獎很可能會授予量子領域。
當然，在科學界看來，此次諾獎表彰的不僅是三位科學家發現了一項深奧難懂的量子物理現象，更是因爲他們的發現推開了量子計算這一全新的科學領域的大門。他們的研究，堪稱是發現了一個全新產業生態的“點火裝置”，並參與推動這個產業生態的發展。
一個改變世界的實驗
按照今年諾貝爾物理學獎的頒獎詞，三位科學家使用了一系列實驗來證明量子世界的奇異特性不僅僅存在於原子態，在大到毫米的器件中也同樣存在。簡言之，他們因爲宏觀量子效應的發現而獲獎。
復旦大學物理學系教授李曉鵬介紹，經典的電學描述的往往是電流跟電壓、電容、電感、電阻之間的簡單關係，大多數人在中學就學過相關知識。而量子力學描述的是單個粒子尺度上的特性，這些在量子力學領域被稱爲微觀現象。比如，量子的隧穿效應，簡單說，就是單個粒子有時會在其微觀世界中直接穿過障礙物的現象，而不是像宏觀世界中一個物體遇到障礙物往往會反彈回來。今年的諾貝爾物理學獎，實際上是表彰了展示如何在宏觀尺度上觀察量子隧穿的實驗。
1984年和1985年，克拉克和他當時指導的博士後德沃雷特、博士研究生馬蒂尼斯在加州大學伯克利分校進行了一系列實驗。他們用兩個超導體，即可以無電阻導電的元件，構建了一個電路。在這個實驗中，該系統通過隧穿逃離零電壓狀態、產生電壓，從而顯示出其量子特性。三位科學家的研究還表明，該系統是量子化的，這意味着它只以特定數量吸收或發射能量。
解讀今年的諾貝爾物理學獎，湖南師範大學超導量子器件專家彭智慧教授指出，克拉克的研究是量子比特出現的先驅性研究。宏觀量子效應的實驗驗證（如人工原子的量子特性驗證），爲後續超導量子比特和超導量子計算鋪路。也正因此，此次頒獎被解讀爲諾貝爾委員會對利用超導量子器件進行量子力學基本原理驗證的認可。
復旦大學物理系教授黃吉平表示，這三位科學家的工作可說是將“幽靈般”的量子行爲從原子世界拓展至我們肉眼可見的尺度。他們藉助特殊的超導電路，如同搭建“量子樂高”一般，首次讓一個宏觀電路精準且清晰地呈現出“能量臺階”（即“能量量子化”）現象和“隔空穿越”效應。
這一成果不僅對物理學基礎產生了巨大震撼，更直接推動了如今我們正全力構建的量子計算機的發展。它有力地證明，量子世界並非遙不可及，它就存在於我們精心設計的電路之中。這裏的“電路”絕非普通的家用電路，而是一種經過特殊設計和製造的微觀或介觀電路，核心是 “超導電路”。其中，主要有兩類關鍵電路元件，即LC振盪迴路和約瑟夫森結。
彭智慧介紹，除量子計算外，該研究成果還可應用於量子傳感領域。例如，利用其對微波信號的超高靈敏度，可探測單個能量極低、傳統手段難以捕捉的微波光子。其他的潛在應用還包括量子增強雷達、軸子、暗光子等暗物質候選粒子探測等前沿方向。
全球競爭最激烈的領域
“今年的諾獎有點特別，獎勵的不只是這三位獲獎者的研究發現，更是間接地對他們成果的工程化以及應用落地的獎勵。”上海交通大學李政道研究所凝聚態物理研究部助理研究員應江華認爲，尤其是馬蒂尼斯的得獎可以說明這一點，因爲他可說是“超導量子計算的工程化和應用落地的旗幟性人物。”
而新晉諾獎得主德沃雷特就擁有一家超導量子計算的創業公司，另一位獲獎者馬蒂尼斯則曾經是谷歌超導計算團隊的負責人，他也被認爲是超導量子計算的領軍人物。馬蒂尼斯最重要的貢獻是證明了量子計算的優越性，這是他在谷歌時完成的工作，被認爲是“量子計算的開端”。在應江華看來，“今年這個諾獎，將會對超導量子計算領域帶來巨大的推動。”三位科學家的研究證實了“宏觀電路能夠作爲操控量子效應的穩定載體”，進而爲工程技術人員開啓了一扇全新的大門，使他們能運用標準的微電子製造技術來設計並構建量子設備。
李曉鵬在接受記者採訪時也進一步談到，量子計算可說是全球技術競爭最激烈的領域之一，當前，多個國家都在發展量子計算產業。李曉鵬也坦言，“中國的量子計算與美國的發展算是旗鼓相當，但是在基礎科學研究、人才積累等方面還是有一定差距。”
據悉，中國科學院物理研究所和南京大學是國內最早開展相關研究的單位。目前中國科學院院士潘建偉教授領導、朱曉波教授負責的團隊與浙江大學王浩華教授等團隊同處國際先進水平，尤其是朱曉波領導的團隊，在超導量子計算實驗研究方面與谷歌團隊競爭激烈。
