將「薛定諤的貓」握在手中｜2025諾貝爾物理學獎揭曉

就在剛剛，2025年諾貝爾物理學獎揭曉，我全程看了直播

今年的獎項，頒給了 John Clarke（約翰·克拉克）、Michel H. Devoret（米歇爾·德沃雷）、John M. Martinis（約翰·馬丁尼斯）三位科學家，以表彰他們發現了「宏觀量子力學隧穿效應，和電路中的能量量子化」

負責頒獎的，是 Hans Ellegren（漢斯·埃勒格倫），是瑞典皇家科學院的常務秘書，也是瑞典皇家科學院的最高行政職位之一。頒獎現場上，Hans 撥通了 John Clarke 的電話，接通時，對面顯然還沒反應過來：「這是我一生中最大的驚喜，從未想過這會成為諾貝爾獎的基礎」

對此，諾貝爾物理學委員會主席，奧勒·埃里克森（上圖左）表示說：「能夠見證百年歷史的量子力學不斷帶來新的驚喜，這令人欣喜。它也極具實用價值，因為量子力學是所有數字技術的基礎」

諾貝爾獎

下面，我讓我們分別來看看這三位獲獎者

首先是約翰·克拉克（John Clarke），1942 年生于英國劍橋，1968 年在劍橋大學獲得博士學位。畢業后他前往加州大學伯克利分校，在那里建立起自己的研究組，專注于利用超導體和約瑟夫森結探索物理現象

接著是米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret），1953 年生于法國巴黎，1982 年在巴黎第十一大學獲得博士學位。作為博士后研究員，他加入了克拉克的研究組。如今他是耶魯大學和加州大學圣芭芭拉分校的教授

最后是約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），1958 年出生，1987 年在加州大學伯克利分校獲得博士學位——正是在攻讀博士期間，他作為學生參與了這組實驗。他現在是加州大學圣芭芭拉分校的教授

進行這項研究時，三人分別是：教授、博士后、在讀博士生

克拉克在發布會上特別強調：「如果沒有德沃雷和馬丁尼斯，這個發現永遠不會實現。他們的貢獻是壓倒性的」

還有就是，克拉克與 1973 年諾貝爾物理學獎得主布賴恩·約瑟夫森是劍橋的同學

在芯片上觀測量子世界

這個研究組要解決的核心問題是：多大的系統能夠展現量子力學效應？

1984 年和 1985 年，三位科學家在伯克利進行了一系列實驗

他們構建了一個超導電路。超導體能夠無電阻傳導電流。電路中，兩個超導體之間用一層極薄的絕緣層隔開，形成約瑟夫森結（Josephson junction）

實驗發現：超導體中的帶電粒子作為一個整體運動，表現得像一個填滿整個電路的單一粒子

這個芯片只有約 1 厘米大小，約瑟夫森結位于兩條超導導線的交匯處

系統起初處于零電壓狀態，被困在這個狀態中。但實驗顯示，系統通過量子隧穿逃離了零電壓狀態，產生了可測量的電壓

他們還證明，這個系統是量子化的，只能吸收或釋放特定數量的能量

從理論到實驗的突破

量子隧穿效應本身不新鮮

1928 年，物理學家喬治·伽莫夫發現，隧穿是某些重原子核衰變的原因。原子核周圍有屏障，但核的一小部分有時會出現在屏障外側并逃逸

物理學家們很快開始思考：是否可能觀測到涉及多個粒子的隧穿？

在超導體中，電子不再各自獨立移動，而是兩兩配對形成庫珀對（Cooper pairs）。

這些庫珀對失去了部分個體性——兩個獨立的電子總是可區分的，但兩個庫珀對可以完全相同。這意味著超導體中的所有庫珀對可以被描述為一個單一的量子力學系統，用一個共同的波函數表示

如果兩個超導體之間用一層薄的絕緣層連接，就形成了約瑟夫森結。這個結構以布賴恩·約瑟夫森命名，他對這種結構進行了量子力學計算，發現了一些有趣的現象（1973 年諾貝爾物理學獎）。約瑟夫森結很快找到了應用領域，包括精密測量基本物理常數和磁場

實驗過程與發現

三位科學家面對的挑戰是：如何在實驗中展示宏觀量子隧穿

實驗設計很巧妙。他們向約瑟夫森結輸入微弱電流，然后測量電壓。一開始，電壓為零。系統被困在這個零電壓狀態中，因為波函數不允許電壓產生

接下來的問題是：系統需要多長時間才能通過隧穿逃離這個狀態？當隧穿發生時，電壓會突然出現。由于量子力學本質上涉及概率，他們進行了數百次測量，將結果繪制成統計圖表。這類似于測量原子核半衰期的方法

隧穿現象證明了一個關鍵事實：實驗中數以億計的庫珀對，在同步運動中表現得像一個單一的巨大粒子

研究人員還獲得了第二個證據：系統具有量子化的能級。他們將不同波長的微波引入系統，其中一些被吸收，系統隨后躍遷到更高的能級。實驗數據顯示，當系統包含更多能量時，零電壓狀態的持續時間更短。這正是量子力學的預測：能量越高，隧穿越容易發生

實驗的意義

這個實驗的獨特之處在哪里？

以往的宏觀量子現象，比如激光、超導體，都是無數微觀粒子各自的量子行為累積而成

但這次不同：三位科學家觀測到的電壓信號，來自所有粒子作為一個整體的量子行為

理論物理學家安東尼·萊格特將這個實驗與「薛定諤的貓」相比較

在那個著名的思想實驗中，盒子里的貓既死又活，直到我們打開盒子。薛定諤想說明：這種量子疊加態只存在于微觀世界，真貓不可能同時處于兩種狀態

但三位獲獎者的實驗表明：包含大量粒子的宏觀系統，確實可以展現量子力學預測的行為

這個超導電路比一只貓小得多。但對物理學家來說，它已經足夠接近「薛定諤的貓」。因為實驗測量的是整個系統的量子特性，而不是單個粒子的

從實驗室到量子技術

這個宏觀量子系統可以被看作一個「人工原子」。它有電纜和插座，可以連接到各種測試裝置中

馬丁尼斯后來的工作是最好的例子。他利用當年證明的能量量子化特性，將這種電路改造成量子比特。最低能量狀態代表 0，第一激發態代表 1

超導電路如今已成為構建量子計算機的主要技術路線之一。這項技術同樣推動了量子密碼學、量子傳感器等領域的發展。從某種意義上說，我們身邊的計算機芯片，也是量子技術應用的產物

最后

從 1984 年在伯克利實驗室調試超導電路，到如今蓬勃發展的量子計算產業，以及三位科學家榮獲諾貝爾獎，已經四十年了，一陣唏噓...

再以及，本周是諾獎發布周，相關的發布時間我整理如下，可以留意