美英法科學家奪得諾獎: 在宏觀尺度實現量子力學特性

北京時間2025年10月7日17時45分，2025年諾貝爾物理學獎揭曉，獲獎者是約翰·克拉克 (John Clarke)、米歇爾·H·德沃雷特 (Michel H. Devoret) 和約翰·M·馬丁尼斯 (John M. Martinis)，以表彰他們“發現電路中宏觀尺度的量子隧穿效應與能量量子化現象” 。

獲獎成果

量子隧穿是量子力學中的一種現象，即微觀粒子能夠穿越高于自身能量的勢壘，如同穿墻而過然而一旦涉及大量粒子，這種量子效應就會變得飄渺難尋。但本屆諾獎得主成功用實驗證明：量子力學特性在宏觀尺度上也能具體呈現，他們在一個足以手持尺寸的系統中，同時實現了量子隧穿效應與能量量子化現象。這種在肉眼可見的尺度上顯現量子行為，在物理學中意義重大，因為它挑戰了“量子效應僅在微觀尺度顯著”的傳統認知。

1984至1985年間，三位獲獎者采用超導體（即具有零電阻導電特性的元件）構建電子電路，開展了一系列實驗。該電路中，超導元件由薄層絕緣材料分隔，這種結構被稱為約瑟夫森結（Josephson junction）。通過精確調控和測量電路的各種參數，他們得以在通電時深入探究其中涌現的物理現象。流經超導體的帶電粒子共同構成了一個系統，其行為恰似遍布整個電路的單一粒子。

這個類粒子的宏觀系統初始處于零電壓下電流持續流動的狀態。系統受困于此狀態，猶如被不可逾越的勢壘阻擋。實驗中，系統通過隧穿效應成功突破零電壓狀態，從而展現出量子特性。系統狀態的轉變通過電壓信號的產生被檢測到。

獲獎者還證實了：該系統的行為完全符合量子力學預言，它具有量子化特征，即僅能吸收或發射特定份量的能量。

本屆諾貝爾物理學獎的研究成果，為發展包括量子密碼學、量子計算機與量子傳感器在內的下一代量子技術開辟了廣闊前景。諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃里克松表示："百年歷史的量子力學仍能持續帶來新突破，確實值得慶賀。這更具有重大實用價值，因為量子力學正是所有數字技術的基石。"

獲獎者簡介

2025NobelPrize

JohnClarke

英國物理學家

John Clarke，英國物理學家，1942年生于英國，1968年在劍橋大學獲得物理學博士學位，在加州大學伯克利分校完成博士后研究后，于1969年加入伯克利物理系任教，逐步晉升為正教授，領導超導量子干涉裝置（SQUID）研究組，專注于超導噪聲和量子測量技術。1980年代起，他擴展研究至暗物質軸子和量子信息應用。現任加州大學伯克利分校研究生院物理學教授。

他的主要研究領域是超導物理學和量子噪聲，開創了超導量子干涉裝置理論、設計與應用，推動軸子暗物質搜索、低頻磁共振成像和超導量子比特讀出，這些工作奠定量子噪聲有限放大器基礎并推進量子計算與暗物質探測。曾獲得1999年美國國家科學院Comstock物理獎、2004年英國皇家學會休斯獎章，并于1986年當選英國皇家學會院士，2012年當選美國國家科學院外籍院士。

2025NobelPrize

Michel H. Devoret

法國物理學家

Michel H. Devoret，法國物理學家，1953年生于法國，1982年巴黎南部大學獲得物理學博士學位，隨后在法國原子能委員會薩克雷實驗室從事博士后研究。1980年代起，在法國國家科學研究中心（CNRS）領導介觀物理學組，專注于宏觀量子隧道和單電子泵發明。1990年代，繼續在CNRS推進電路量子電動力學研究。2002年加入耶魯大學擔任應用物理學教授，領導Quantronics實驗室開發超導量子比特和糾錯技術。2013-2023年任法國高等研究院介觀物理學講座教授。2023年起，轉至加州大學圣芭芭拉分校擔任教授。現任加州大學圣芭芭拉分校教授、谷歌量子人工智能首席科學家。

他的主要研究領域是固體物理學和量子信息，主要成果是開創電路量子電動力學和“量子電子學”領域，發明單電子泵、Quantronium超導量子比特，以及實現量子跳躍逆轉和糾錯，這些工作奠定超導量子計算基礎，推動了量子比特糾纏和微波光子應用。曾獲得2013年約翰·貝爾獎、2014年弗里茨·倫敦紀念獎和2021年米丘斯量子獎。

2025NobelPrize

John M. Martinis

美國物理學家

John M. Martinis，生于1958年，美國物理學家，現任加州大學圣巴巴拉分校物理學教授。他于1987年于加州大學伯克利分校獲得物理學博士學位。自2002年以來，他一直致力于約瑟夫森結量子比特的研究，目標是建造第一臺量子計算機。2021年，他因在量子力學基本問題及其應用方面的研究獲得約翰·斯圖爾特·貝爾獎。