導 讀

剛剛，2025年的諾貝爾物理學獎授予了加州大學伯克利分校約翰·克拉克(John Clark)、米歇爾·H·德沃雷(Michel Devoret)和約翰·馬丁尼斯(John Martinis)，以表彰他們在“電路中實現宏觀量子隧穿與能級量子化”的發現。”

現場，克拉克得知獲獎非常震驚，他說從未想過自己會獲得諾貝爾獎。他這樣回答《知識分子》、《賽先生》特約編輯王一葦的提問，（今天，我得了諾獎，但是）量子計算機是很多人一起做得工作，（對於年輕人），我想跟他們說：量子領域有大量的發現等着去發掘，有很多辦法可以做出很好的發現。

物理學中的一個重要問題是：能夠展現量子力學效應的系統最大可以達到什麼尺度。今年的諾貝爾獎獲得者通過電路實驗，在一個尺寸足以置於掌心的系統中，同時展示了量子力學隧穿效應與能量量子化。

量子力學允許粒子通過所謂“隧穿”的過程直接穿越勢壘。一旦涉及大量粒子，量子力學效應通常會變得微不足道。獲獎者的實驗證明，量子力學特性可以在宏觀尺度上得以具體呈現。

在1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬丁尼斯利用超導體（即能夠無電阻傳導電流的元件）構建了一個電子電路，並進行了一系列實驗。在該電路中，超導元件被一層薄薄的絕緣材料隔開，這種結構被稱爲約瑟夫森結。通過精確改進並測量其電路的各種特性，他們得以控制和探索當電流通過時產生的現象。流經超導體的帶電粒子共同構成了一個系統，其行爲猶如一個遍佈整個電路的單一粒子。

這個宏觀的類粒子系統最初處於一種無電壓的電流流動狀態。系統受限於此狀態，彷彿被一道無法穿越的勢壘所阻擋。實驗中，該系統通過隧穿效應成功脫離零電壓狀態，從而展現了其量子特性。系統狀態的改變通過電壓的出現而被檢測到。獲獎者們還證明了該系統的行爲遵循量子力學的預測——它是量子化的，意味着它僅吸收或釋放特定數量的能量。

他們的研究首次無可辯駁地證明，一個由數十億對電子組成的、人手可以觸摸的“宏觀”物體——超導電路，可以像單個原子一樣，遵循量子力學的奇異規則。這項工作將量子世界從微觀粒子和思想實驗的領域，成功帶入了可被精確設計和操控的宏觀工程系統中，爲現代量子計算和量子科學的發展鋪平了道路。

自量子力學誕生以來，其結論就一直挑戰着人們的直覺。其中最著名的莫過於“薛定諤的貓”思想實驗：由於放射性原子核的衰變處於“衰變”與“未衰變”的疊加態，一隻與之關聯的貓，也因此處在“生”與“死”的疊加態。這個思想實驗形象地指出了將量子法則應用到宏觀世界是何等荒謬。在現實世界中，我們從未見過一隻“既生又死”的貓，這是因爲宏觀物體與周圍環境存在着無法避免的相互作用，這種相互作用會極快地破壞掉精巧的量子疊加態。

然而，一個大膽的問題在20世紀70年代末被物理學家安東尼·萊格特（Anthony Leggett，2003年諾獎得主）提出：我們能否在實驗室裏，創造出一個“迷你版”的薛定諤的貓？他將目光投向了超導電路，因爲其極低的電阻意味着它與環境的耗散耦合非常微弱，這爲維持宏觀量子態提供了可能。他預言，在超導電路中，或許可以觀測到一種被稱爲“宏觀量子隧穿”（Macroscopic Quantum Tunnelling, MQT）的現象。

萊格特的理論構想爲實驗物理學家們指明瞭方向，而實現這一構想的決定性工作，正來自於本次獲獎的三位科學家。1980年代，在美國加州大學伯克利分校，約翰·克拉克教授與他當時的研究生約翰·馬丁尼斯以及來自法國的博士後米歇爾·德沃雷組成了一個強大的團隊。他們的目標非常明確：在一個簡單的“電流偏置約瑟夫森結”系統中，尋找宏觀量子效應存在的確定性證據。這項實驗的挑戰是巨大的，任何來自外界的微小噪聲都可能“加熱”系統，其效果會與真正的量子隧穿現象相混淆，導致錯誤的結論。

爲了取得決定性的證據，伯克利小組展現了高超的實驗技巧。他們設計並使用了一套包含銅粉微波濾波器在內的複雜濾波鏈路，對特定頻率範圍內的噪聲實現了驚人的衰減。同時，他們利用一種名爲“共振激活”的技術，在不依賴理論擬合的情況下，獨立地、原位測量了約瑟夫森結的等離子體頻率、阻尼電阻和臨界電流等所有關鍵參數，這使得他們的實驗結果可以直接與理論預測進行定量比較，排除了不確定性。

經過不懈的努力，他們最終取得了歷史性的突破。實驗數據顯示，當溫度降低到某個臨界點以下時，系統的“逃逸”行爲便不再依賴於溫度，其分佈特徵與量子隧穿的理論預測完全吻合，這證明了系統的行爲是由量子力學主導，而非經典的熱激活。更令人震驚的是，他們通過微波光譜技術發現，這個由無數庫珀對構成的宏觀系統的能量，並非連續變化的，而是存在着像單個原子能級一樣分立的、量子化的能級。他們甚至觀測到了系統從不同的激發態隧穿出去的現象，其能量間隔與量子力學計算的結果精確相符。

這一系列實驗清晰地表明：只要能夠與環境充分隔離，即便是大到可以“用手觸摸”的電路，其整體行爲也會服從量子力學的規律。研究者曾將他們的系統比喻爲“宏觀原子核”，並設想通過導線將這些“宏觀原子核”連接起來，去構建全新的量子系統。克拉克、德沃雷和馬丁尼斯的工作，成爲量子科學的重要轉折點。它不僅證明了宏觀量子效應的存在，更展示了人類有能力在實驗室中製造並操控這樣的體系。

這一發現直接催生了“超導電路可作爲人造原子”的思想，使其逐漸成爲構建量子計算機最具潛力的平臺。如今，全球領先的量子研究團隊廣泛使用的 Transmon 量子比特，以及極大延長量子相干時間的電路量子電動力學（cQED）架構，其物理學基礎都可以追溯到上世紀八十年代這批奠基性實驗。從驗證一個曾被視作悖論的設想，到開闢一個全新的量子工程領域，他們的研究展示了基礎科學如何在數十年後轉化爲顛覆性的技術資源。

值得一提的是，John Clarke、Michel H. Devoret曾經與東京大學先端科學技術研究中心教授、日本理化學研究所量子計算中心主任中村泰信（Yasunobu Nakamura）共同獲得2021年度“墨子量子獎”，獲獎理由是表彰他們作爲領軍人物開創了超導量子電路和量子比特中一系列早期關鍵技術。

爲推動量子信息科技的科學研究特別是第二次量子革命的發展，中國民間企業家們慷慨捐資一億元成立“墨子量子科技基金會”。基金會設立“墨子量子獎”，自2008年起通過廣泛邀請提名和國際專家評審，嚴格遴選和表彰國際上在量子通信、量子模擬、量子計算和量子精密測量等領域做出傑出貢獻的科學家。

諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃裏克松表示：“能夠見證擁有百年曆史的量子力學不斷帶來新的驚喜，這實在令人欣喜。同時它也極具實用性，因爲量子力學是所有數字技術的基石。”

計算機微芯片中的晶體管便是環繞在我們身邊、已成熟應用的量子技術之一。今年的諾貝爾物理學獎爲發展下一代量子技術，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器，提供了新的機遇。

圖說：知識分子、賽先生特約編輯王一葦現場提問

約翰·克拉克 (John Clarke)

John Clarke 出生於 1942 年於英國劍橋，從劍橋大學獲得 B.A.（1964 年）、Ph.D.（1968 年），後來於 2005 年獲授 Sc.D. 學位。

1968 年，他來到美國加州大學伯克利分校，擔任博士後研究員；次年（1969 年）他被聘爲物理系教員，正式開啓長期的伯克利教學生涯。

在伯克利，他歷任助理教授、副教授，到了 1973 年成爲正教授。 從 1994 年至 1999 年，他擔任 Luis W. Alvarez 紀念實驗物理學講席教授。

同時，在 1969 年至 2010 年期間，他還兼任勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的資深科學家（Senior Faculty Scientist）。

2010 年，Clarke 教授從常任教職退休，成爲伯克利大學“研究生院教授”（Professor of the Graduate School, Emeritus）身份，仍然在科研上保持活躍。

在他與伯克利和劍橋之間也保持密切聯繫：他曾多次回訪劍橋，並擔任 Christ’s College 的研究員、Clare Hall 訪問學者、Churchill College By-Fellow，其後在 2023 年被選爲 Darwin College 的榮譽研究員。

在科學研究上，他長期專注於超導物理與超導電子器件，特別是在超導量子干涉器件（SQUIDs）方面取得開創性成果，其應用橫跨凝聚態物理、地球物理、醫學成像、量子信息等多個領域。

Clarke 教授也獲得衆多國際榮譽，例如英國皇家學會院士、Comstock 物理獎（1999 年）、Hughes 勳章（2004 年）等。

米歇爾·德沃雷(Michel Devoret)

Michel Henri Devoret 出生於 1953 年法國巴黎。他於 1975 年畢業於巴黎國立高等電信學院，獲得工程學位，1982 年在巴黎第十一大學 Orsay 校區獲得物理學博士學位。

博士畢業後，他前往美國加州大學伯克利分校，在 John Clarke 的實驗室從事博士後研究，主要探索宏觀量子隧穿等前沿問題。20 世紀 80 年代中期，他回到法國，在 CEA-Saclay 建立自己的研究團隊，與 Daniel Estève 和 Cristian Urbina 合作，開創了“quantronics”（量子電子學）的研究方向，推動了超導電路和單電子器件等領域的發展。他的團隊在這一時期完成了隧穿穿越時間測量、單電子泵的發明、單原子電導率測量等多項實驗突破，並首次在超導“人工原子”中觀測到 Ramsey 干涉條紋。1995 年，他被任命爲 CEA-Saclay 的研究總監。

2002 年，Devoret 加入耶魯大學，擔任應用物理學教授，後成爲 F. W. Beinecke 教授，並領導 Quantronics Lab。他的研究重點涵蓋超導量子比特設計、電路量子電動力學、量子測量與放大器、遠程糾纏以及容錯量子存儲等。在耶魯，他與 Robert Schoelkopf、Steven Girvin 等合作者一道，推動了 transmon、fluxonium 等新型超導量子比特的誕生，並在量子糾錯與量子信息處理方面取得重要成果。2007 至 2012 年間，他還曾在法國高等學術機構 Collège de France 任講座教授。

在國際學術界，Devoret 享有極高聲譽。他先後當選爲美國藝術與科學院院士、法國科學院院士，並獲得了包括法國科學院 Ampère 獎、Descartes-Huygens 獎、Europhysics-Agilent 獎、John Stewart Bell 獎、Fritz London 紀念獎、Micius 量子獎、以及美國國家科學院 Comstock 物理獎在內的一系列重要榮譽。

目前，Michel H. Devoret 仍活躍在科研一線。他是耶魯大學的榮休教授，同時擔任 Google Quantum AI 的首席科學家，在推動超導量子計算和量子信息處理的發展中繼續發揮着重要作用。

約翰·馬丁尼斯(John Martinis)

John Martinis 出生於 1958 年，是美國著名物理學家。在加州大學伯克利分校，他於 1980 年獲得物理學學士學位，隨後在伯克利繼續深造，於 1985 年（有些資料說 1987 年）完成博士學位。他的博士研究聚焦於約瑟夫森結的宏觀量子隧穿與能級量子化，是他日後進入量子電子器件領域的重要起點。

在完成博士後階段，他先後在法國 Saclay 的 CEA 實驗室和美國國家標準與技術研究院（NIST）工作，參與開發超導器件、SQUID 放大器以及 X 射線微熱量計等技術。

2004 年，Martinis 加入加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB），擔任實驗物理學教職，並曾任 Worster 講席教授。他在 UCSB 的研究團隊長期致力於超導量子比特、量子控制、量子測量以及器件優化等方向，併爲未來大規模量子計算機的實現做了大量基礎性工作。

2014 年，Martinis 與其團隊被 Google Quantum AI 實驗室招募，負責超導硬件方向的研究。他所在團隊最具代表性的成果之一，是在 2019 年發表在 Nature 的論文《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》，首次宣稱實現量子霸權。後來在 2020 年，Martinis 從 Google 的硬件負責職位退出，轉爲顧問角色，並參與創業公司 Silicon Quantum Computing 與 Qolab 的創建。

在學術榮譽方面，他因在低溫物理與超導量子器件上的成績，獲得了 Fritz London 紀念獎（2014 年）和 John Stewart Bell 獎（2021 年）等國際重大獎項。