2025年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉！量子計算成最大贏家

新智元報道

編輯：艾倫 好困

【新智元導(dǎo)讀】剛剛，2025年諾貝爾物理學(xué)獎公布。今年物理學(xué)獎沒有頒給AI領(lǐng)域，而是量子力學(xué)。科學(xué)家John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis三人獲獎，以表彰他們「發(fā)現(xiàn)電路中的宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化」。

剛剛，2025年諾貝爾物理學(xué)獎公布！

科學(xué)家John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis三人獲獎，以表彰他們「發(fā)現(xiàn)電路中的宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化」。

對此，諾貝爾物理學(xué)獎評審委員會主席Olle Eriksson激動得表示：

百年量子力學(xué)仍不斷帶來新的驚喜！更重要的是，它極具實用價值，因為量子力學(xué)構(gòu)成了所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)。

計算機微芯片中的晶體管就是我們?nèi)粘Ｉ钪幸褟V泛應(yīng)用的量子技術(shù)實例。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎為新一代量子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，包括量子密碼學(xué)、量子計算機和量子傳感器等領(lǐng)域。

今年獎金總額達1100萬瑞典克朗（約835萬元人民幣），由三位獲獎?wù)咂椒帧?/p>

獲獎貢獻

2025年諾貝爾物理學(xué)獎得主John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis，通過一系列實驗證明，量子世界的奇異特性可以在一個大到足以置于掌中的體系中具體展現(xiàn)。

他們的超導(dǎo)電路系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)間的隧穿，如同徑直穿墻而過。

與此同時，系統(tǒng)還會以特定大小的能量份來吸收和釋放能量，這與量子力學(xué)的預(yù)言完全一致。

量子力學(xué)描述的特性，通常僅在單個粒子的尺度上才具有顯著意義。

在量子物理學(xué)中，這些現(xiàn)象被稱為微觀現(xiàn)象，即便它們遠比光學(xué)顯微鏡的觀測極限更小。宏觀現(xiàn)象則與之相反，它由大量粒子組成。

舉個例子，當(dāng)我們把球扔向墻壁，它總會彈回來。然而，單個粒子有時卻能直接穿過其微觀世界中的等效勢壘，出現(xiàn)在另一側(cè)。

這種量子力學(xué)現(xiàn)象被稱為隧穿效應(yīng)。

1984至1985年間，John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis在加州大學(xué)伯克利分校進行了一系列實驗。

他們用一層完全不導(dǎo)電的薄膜將這兩個超導(dǎo)體隔開。

實驗證明，他們能夠控制并研究一種奇特現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子行動完全同步，仿佛它們是填充了整個電路的同一個粒子。

這就好比一個開關(guān)處于「關(guān)」的位置，且有東西阻礙它撥向「開」。若沒有量子力學(xué)效應(yīng)，此狀態(tài)將保持不變。突然，電壓出現(xiàn)了。于是開關(guān)無視障礙，自行從「關(guān)」撥到了「開」。

實驗中發(fā)生的這一幕，被稱為宏觀量子隧穿。

獲獎?wù)邆兊墓ぷ鳎⒃跀?shù)十年積累的理論概念和實驗工具之上。

近一個世紀以來，物理學(xué)家們已經(jīng)知曉，隧穿效應(yīng)是特定類型核衰變（α衰變）發(fā)生的必要條件。

原子核的一小部分會掙脫束縛，出現(xiàn)在其外部。

物理學(xué)家們很快開始思考，是否有可能研究一種涉及多個粒子同時隧穿的現(xiàn)象。

一種新的實驗思路，源于某些材料在極低溫下呈現(xiàn)的奇異現(xiàn)象。

在普通導(dǎo)體中，電子相互推擠，并與構(gòu)成材料的原子碰撞。

當(dāng)材料成為超導(dǎo)體時，電子兩兩配對形成庫珀對，構(gòu)成無阻力的電流。

此時，這些庫珀對的行為，就像一個充滿了整個電路的單一粒子。用量子力學(xué)的語言來說，它們共享同一個波函數(shù)。

如果用一層薄的絕緣層將兩個超導(dǎo)體連接起來，便構(gòu)成了一個約瑟夫森結(jié)。

時間回到上個世紀，時任UC伯克利教授的John Clarke建立了自己的研究小組，專注于利用超導(dǎo)體和約瑟夫森結(jié)探索一系列物理現(xiàn)象。

到20世紀80年代中期，在巴黎獲得博士學(xué)位的Michel H. Devoret作為博士后加入了John Clarke的研究小組。

當(dāng)時組里還有博士生John M. Martinis。他們共同接受了驗證宏觀量子隧穿的挑戰(zhàn)。

為了屏蔽實驗裝置免受一切潛在干擾，他們付出了巨大的心血和極高的精度。

最終，他們成功地優(yōu)化并精確測量了其電路的各項屬性，從而對其有了透徹的理解。

為了測量量子現(xiàn)象，他們向約瑟夫森結(jié)注入微弱電流，并測量其兩端的電壓，該電壓與電路的電阻相關(guān)。

如預(yù)期那樣，約瑟夫森結(jié)的電壓最初為零。這是因為系統(tǒng)的波函數(shù)被「囚禁」在一個不允許產(chǎn)生電壓的狀態(tài)里。

接著，他們研究了系統(tǒng)需要多長時間才能隧穿出該狀態(tài)，從而產(chǎn)生電壓。

由于量子力學(xué)內(nèi)含隨機性，他們進行了大量測量，并將結(jié)果繪制成圖表，從中解讀出零電壓狀態(tài)的持續(xù)時間。

以往，隧穿和能量量子化現(xiàn)象只在包含少數(shù)粒子的體系中被研究；而在這里，這些現(xiàn)象出現(xiàn)在一個由數(shù)十億個庫珀對構(gòu)成的量子力學(xué)系統(tǒng)中（承載該電路的芯片尺寸約為一厘米）。實驗通過這種方式，將量子力學(xué)效應(yīng)從微觀尺度帶入了宏觀尺度。

隧穿現(xiàn)象證明，實驗裝置中的庫珀對，在它們同步的「舞蹈」中，其行為宛如一個巨大的單一粒子。

當(dāng)研究人員觀察到該系統(tǒng)具有量子化的能級時，他們獲得了進一步的佐證。

量子力學(xué)（Quantum mechanics）一詞的詞根「量子」（quanta），正源于微觀過程中能量總是以一份份獨立包裝的形式存在的觀察。

獲獎?wù)邆儗⒉煌ㄩL的微波引入零電壓狀態(tài)，其中某些特定波長的微波被系統(tǒng)吸收，使其躍遷到更高的能級。

實驗表明，當(dāng)系統(tǒng)擁有更多能量時，零電壓狀態(tài)的持續(xù)時間會變短——這正是量子力學(xué)的預(yù)言。一個被囚禁在勢壘后的微觀粒子，其行為方式與此完全相同。

一個處于勢壘后的量子力學(xué)系統(tǒng)可以擁有不同大小的能量，但它只能吸收或釋放特定大小的能量份。在較高能級發(fā)生隧穿比在較低能級更容易，因此，從統(tǒng)計上看，能量越高的系統(tǒng)被「囚禁」的時間，要短于能量較低的系統(tǒng)。

John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis所做的這一系列實驗表明，確實存在這樣一種現(xiàn)象：海量的粒子作為一個整體，其行為方式與量子力學(xué)的預(yù)言完全相符。

這個由眾多庫珀對構(gòu)成的宏觀系統(tǒng)，其尺度雖然仍比一只小貓小數(shù)個數(shù)量級，但由于實驗測量的是適用于該系統(tǒng)整體的量子力學(xué)特性，因此在量子物理學(xué)家看來，它與「薛定諤的貓」頗有幾分神似。

這類宏觀量子態(tài)為利用主宰微觀粒子世界的現(xiàn)象進行實驗開辟了新的可能。

它可視作一種大尺度的人造原子——一個帶有電纜和插座的「原子」，可以被接入新的測試裝置，或應(yīng)用于新興的量子技術(shù)。

在后來的實驗中，Martinis就基于這種能量量子化特性，并使用了一個具有量子化能態(tài)的電路作為信息承載單元——即量子比特。最低能態(tài)和其上的第一級激發(fā)態(tài)分別代表了「0」和「1」。

如今，超導(dǎo)電路正是目前探索構(gòu)建未來量子計算機的領(lǐng)先技術(shù)路線之一。

因此，今年的獲獎?wù)邆儾粌H為物理實驗室?guī)砹藢嶋H應(yīng)用價值，也為我們對物理世界的理論理解貢獻了新的認知。

獲獎?wù)吆喗?/strong>

John Clark，1942年出生于英國劍橋，1968年獲英國劍橋大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校教授。

在加州大學(xué)伯克利分校完成博士后研究后，他于1969年加入物理系任教。

他是倫敦皇家學(xué)會、美國物理學(xué)會、美國科學(xué)促進會以及英國物理學(xué)會的會士（Fellow）。

他曾獲斯隆研究基金會獎學(xué)金、古根海姆獎學(xué)金，并擔(dān)任米勒教授。

1987年，他被評為「加州年度科學(xué)家」，并因低溫物理研究獲得弗里茨·倫敦獎。

1998年，他獲得美國物理學(xué)會「約瑟夫·F·基思利測量科學(xué)進步獎」，1999年獲得美國國家科學(xué)院「康斯托克物理學(xué)獎」。

2004年獲得英國皇家學(xué)會「休斯獎?wù)隆梗⒂?005年擔(dān)任加州大學(xué)伯克利分校「教師科研講席教授」（Faculty Research Lecturer）。

他的主要研究興趣之一是超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）的發(fā)展、噪聲極限與應(yīng)用，對受量子極限約束的探測器和測量尤為著迷。

應(yīng)用方向包括讀出超導(dǎo)（reading out superconducting）「量子比特（qubits）」、用于超低頻核磁共振（NMR）與磁共振成像（MRI）的新方案，以及尋找軸子。

他的論文被引近5萬次。

Michel H. Devoret，1953年出生于法國巴黎，1982年獲法國巴黎第十一大學(xué)（Paris-Sud University）博士學(xué)位，現(xiàn)任美國耶魯大學(xué)（康涅狄格州紐黑文）及加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授。

他的研究領(lǐng)域集中于實驗固態(tài)物理，特別是被他稱為 「量子電子學(xué)（quantronics）」 的方向，即研究在介觀電子系統(tǒng)中，電流與電壓等集體變量的量子行為。

Devoret的工作旨在深入理解用于量子信息處理（如量子計算與量子傳感）的超導(dǎo)電路中量子非平衡物理的基本原理。

他是現(xiàn)代超導(dǎo)量子電路與量子比特（qubit）實驗研究的奠基人之一。他與Robert Schoelkopf、John Martinis等人合作，對實現(xiàn)超導(dǎo)量子比特的相干控制與測量技術(shù)作出了關(guān)鍵貢獻。

他的團隊在實現(xiàn)可擴展量子比特架構(gòu)與高保真度量子測量方面的實驗成果，對推動當(dāng)代量子計算機的物理實現(xiàn)起到了決定性作用。

他的研究融合了基礎(chǔ)量子物理與工程技術(shù)，是「量子信息科學(xué)實驗物理化」的代表人物之一。

他在「量子限制放大器」、「單電子器件」、「量子測量理論實驗驗證」等方面的研究對量子計算和量子測量學(xué)的發(fā)展具有深遠影響。

Devoret部分榮譽與獎項：

• Comstock Prize in Physics（美國國家科學(xué)院，2024，與 Robert Schoelkopf 共享）

• Micius Quantum Prize（墨子量子獎），2022

• Olli V. Lounasmaa Memorial Prize，2016

• Fritz London Memorial Prize（與Robert Schoelkopf和John Martinis共享），2014

• John Bell Prize（與Robert Schoelkopf共享），2013

• 當(dāng)選法國科學(xué)院院士，2007

• 任職法蘭西學(xué)院（Collège de France）教授，2007–2012

• Europhysics–Agilent Prize（與Daniel Esteve、Hans Moij和Yasunobu Nakamura共享），2004

• 當(dāng)選 美國藝術(shù)與科學(xué)院院士（AAAS Fellow），2003

• Descartes–Huygens Prize（荷蘭皇家科學(xué)院），1996

• Ampère Prize（法國科學(xué)院，與Daniel Esteve共享，以表彰電子泵的發(fā)明），1991

John M. Martinis，1958年出生，1987年獲美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位，現(xiàn)任加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授。

John Martinis是一位杰出的物理學(xué)家，以其在量子計算領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻而聞名。

他專注于超導(dǎo)量子比特的研究，一直站在開發(fā)高保真量子比特的最前沿，這些量子比特是可擴展量子處理器的關(guān)鍵。

在創(chuàng)立Qolab之前，馬蒂尼斯是谷歌量子霸權(quán)實驗的核心人物，他領(lǐng)導(dǎo)團隊展示了量子計算機在特定任務(wù)上超越全球最強經(jīng)典超級計算機的能力。

他在量子糾錯與可擴展量子處理器方面的開創(chuàng)性研究極大推動了該領(lǐng)域的發(fā)展。

馬蒂尼斯持續(xù)激勵并指導(dǎo)新一代量子工程師和科學(xué)家，推動量子計算的實際應(yīng)用向前發(fā)展。

他的論文被引已超過77000次。

讓我們再次向三位偉大的物理學(xué)家致敬！

參考資料：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/press-release/

https://physics.berkeley.edu/people/faculty/john-clarke

https://engineering.yale.edu/research-and-faculty/faculty-directory/michel-devoret

https://qolab.ai/our_team/john-martinis/