量子世界的宏觀證明：2025年諾貝爾物理學獎揭曉
2025年10月7日，瑞典皇家科學院宣佈，將本年度諾貝爾物理學獎授予三位傑出的物理學家：加州大學伯克利分校的約翰·克拉克(John Clarke)、耶魯大學和加州大學聖巴巴拉分校的米歇爾·德沃雷(Michel H. Devoret)，以及加州大學聖巴巴拉分校的約翰·馬丁尼斯(John M. Martinis)。獲獎理由是“發現了電路中的宏觀量子隧穿和能量量子化”。
這個看似深奧的表述背後，隱藏着一個令人着迷的故事：三位科學家在一塊小小的芯片上，讓量子世界的奇異特性在肉眼可見的尺度上展現出來。這不僅是對量子力學理論的有力驗證，更爲未來的量子技術革命鋪設了堅實的基石。
來源：諾貝爾獎官網
三位開拓者的科學人生
約翰·克拉克1942年出生於英國劍橋，1968年在劍橋大學獲得博士學位，現任加州大學伯克利分校教授。米歇爾·德沃雷1953年出生於法國巴黎，1982年在巴黎南大學獲得博士學位，現任耶魯大學和加州大學聖巴巴拉分校教授。約翰·馬丁尼斯1958年出生，1987年在加州大學伯克利分校獲得博士學位，現任加州大學聖巴巴拉分校教授。
1100萬瑞典克朗的獎金將由三位獲獎者平分，這份榮譽標誌着他們在上世紀80年代進行的開創性研究，終於在四十年後獲得了科學界的最高認可。
量子隧穿：穿牆而過的神奇粒子
量子力學中最反直覺的現象之一，就是“量子隧穿”。在經典物理學的世界裏，一個粒子如果沒有足夠的能量，就無法翻越能量勢壘——就像一個人如果跳得不夠高，就無法翻過一堵牆。但在量子世界中，粒子可以直接“穿牆而過”，彷彿牆根本不存在一樣。這種違背常識的現象，正是量子隧穿效應。
宏觀世界中的小球，想要跨越面前的牆壁，需要足夠的能量（左）；而微觀世界的小球則可能直接“穿牆而過”
來源：諾貝爾獎官網
然而，當系統規模越來越大，從微觀轉變到宏觀時，量子效應往往會變得微不足道，宏觀物體表現出的是經典物理學的規律。那麼問題來了，自從量子力學誕生開始，物理學家們一直在好奇一件事情：由於量子效應幾乎只能在微觀世界中被觀測到，那麼仍然能展現出量子力學效應的一個系統究竟可以有多大？它能否突破微觀和宏觀的界限？這個問題觸及了量子世界與經典世界的邊界，關係到我們對物理學基本原理的理解。
1984年和1985年，克拉克、德沃雷和馬丁尼斯用他們精巧設計的實驗，爲這個問題提供了令人震撼的答案。他們構建了一個由超導體組成的電子迴路——超導體是一種能夠在沒有電阻的情況下傳導電流的材料。在這個迴路中，超導組件之間由一層薄薄的非導電材料分隔，形成了所謂的“約瑟夫森結”。請各位讀者先把這個名詞暫時擱置，我們將在後面的篇幅中詳細解釋什麼是“約瑟夫森結”。
大到可以放在手上的量子系統
三位科學家的天才之處在於，他們通過精心調節和測量回路的各種特性，能夠控制並探索當電流通過時產生的各種現象。更爲神奇的是，在這個迴路中流動的所有帶電粒子，其行爲就像是一個充滿整個迴路的單一粒子。換句話說，他們創造了一個“宏觀量子粒子”——這個系統大到可以放在手上，卻仍然表現出純粹的量子特性。
在超導迴路中，由於沒有電阻，電流可以無損耗地持續流動，整個系統處於一種能量最低的穩定狀態。因此這個宏觀的類粒子系統最初處於一種電流流動但沒有電壓的狀態——這就像水在一個完美光滑的水平環形管道中循環流動，因爲沒有阻力，水可以永遠流動下去，不需要任何推動力或壓力差來維持。
按照經典物理學的規律，系統應該會一直停留在這個狀態中，因爲它被一道“看不見的牆”——能量勢壘——牢牢困住了。就好比一個球靜止在山谷裏，如果沒有足夠的能量，它永遠無法翻過山脊到達另一邊。
但實驗結果卻展現了令人驚歎的一幕：系統竟然神奇地逃離了零電壓狀態，儘管它並沒有獲得足夠的能量來“翻越”那道能量勢壘。這就像那個山谷中的球突然穿過了山體，出現在了山的另一側。科學家通過測量發現，系統中出現了電壓——這個信號明確地告訴我們，系統的狀態改變了。而這種不需要“翻牆”就能“穿牆”的能力，正是量子隧穿效應的典型表現。
三位科學家還證明，這個系統的行爲完全符合量子力學的預測：它是量子化的，意味着它只能吸收或釋放特定數量的能量，而不是任意數值。這種能量的“階梯式”變化，是量子世界的典型特徵，如今卻在一個宏觀系統中得到了驗證。
更令人震撼的是，這一切發生在一個大到可以用手握住的電路系統中，微觀和宏觀的界限被突破了。在此之前，量子隧穿只在微觀粒子世界中被觀察到。三位科學家的實驗首次證明，即使在宏觀尺度上，量子世界的奇異規律依然可以清晰地展現出來。這就像是在日常生活的舞臺上，上演了一場只屬於微觀世界的魔術表演。
約瑟夫森結：量子世界的精妙“三明治“
要理解三位科學家的實驗，就不得不提到一個關鍵的器件——約瑟夫森結。這個名字聽起來有些拗口的裝置，實際上結構相當簡潔：想象一個“三明治”，兩片“麪包”是超導材料，中間夾着一層極薄的非導電材料，厚度可能只有幾個納米。這個看似簡單的結構，卻是觀察量子現象的絕佳舞臺。
約瑟夫森結的神奇之處在於，即使中間有一層絕緣層阻擋，電流仍然可以通過量子隧穿效應從一側的超導體“穿越”到另一側。這就像兩座山峯之間明明隔着深谷，但在量子世界中，粒子可以直接從一座山峯“瞬移”到另一座山峯，而不需要下到谷底再爬上去。這種超越經典物理直覺的現象，正是約瑟夫森結能夠展現量子特性的根本原因。
在克拉克、德沃雷和馬丁尼斯的實驗中，他們用超導材料和約瑟夫森結構建了一個完整的電子迴路。通過精心控制和測量這個迴路的各種特性——包括溫度、電流、磁場等參數，他們能夠讓整個系統表現得像一個巨大的量子粒子。在這個系統中，成千上萬的電子不再各自爲政，而是協調一致地行動，就像一支訓練有素的樂隊演奏出和諧的樂章。正是約瑟夫森結這個“指揮家”，讓所有電子的量子態統一起來，形成了一個在宏觀尺度上仍保持量子相干性的系統。
更爲重要的是，通過精密調節約瑟夫森結的各項參數，科學家們可以創造出不同的能量勢壘，從而精確控制量子隧穿發生的概率和時機。這種可控性使得約瑟夫森結不僅是觀察量子現象的窗口，更成爲了操控量子態的工具。今天的超導量子計算機中，約瑟夫森結正是構成量子比特的核心元件，而這一切都源於四十年前三位獲獎者對這個精妙結構的深入研究。
通過約瑟夫森結在宏觀尺度上呈現量子效應的示意圖
來源：諾貝爾獎官網
從理論到芯片的華麗轉身
這項研究的意義遠不止於驗證量子力學的正確性。正如諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃裏克松所言：“能夠慶祝已有百年曆史的量子力學不斷帶來新的驚喜，這是一件美妙的事情。它也極其有用，因爲量子力學是所有數字技術的基礎。”
事實上，我們日常使用的計算機芯片中的晶體管，就是已經成熟的量子技術的一個例子。但今年的諾貝爾物理學獎所表彰的工作，爲發展下一代量子技術提供了機遇，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器。
約瑟夫森結作爲超導量子比特的核心組件，已經成爲當今量子計算機研發的關鍵技術。三位獲獎者在上世紀80年代對這種結構的深入研究，揭示了其量子行爲的基本物理機制，爲後來者鋪平了道路。可以說，沒有他們當年在實驗室裏的精密測量和理論洞察，今天蓬勃發展的量子計算產業很可能要走更多的彎路。
由美國國家標準技術研究所所研發、作爲標準電壓之約瑟夫森結陣列芯片
來源：維基百科
量子技術的未來圖景
今天，當我們談論量子計算機、量子通信、量子傳感器這些前沿技術時，很容易忘記它們的理論根基可以追溯到上世紀初的量子力學革命，而其實驗驗證和工程實現，則離不開像克拉克、德沃雷和馬丁尼斯這樣的先驅者在幾十年前的開創性工作。
量子密碼學利用量子態的不可克隆性，可以實現理論上絕對安全的通信；量子計算機利用量子疊加和糾纏，有望在某些特定問題上實現經典計算機無法企及的計算能力；量子傳感器利用量子系統對環境的極端敏感性，可以實現前所未有的測量精度。這些技術的共同點，都是讓量子效應在宏觀可操控的尺度上發揮作用——而這正是三位諾貝爾獎得主四十年前所開創的研究方向。
真正具有革命性的科學發現，其價值往往需要時間來沉澱和驗證。當年在實驗室裏看似抽象的物理現象，如今已經成爲推動技術革命的關鍵力量。當百年前的量子力學理論，在微米尺度的芯片上變成可以測量、可以操控的物理現象，我們看到的不僅是科學的勝利，更是人類理解自然、駕馭自然能力的又一次飛躍。而這個故事，還遠未到達終點。
出品：科普中國
作者：李瑞（半導體工程師）
監製：中國科普博覽
