把量子效應放大到肉眼可見？三位科學家摘得2025諾貝爾物理學獎桂冠

今天，瑞典皇家科學院將2025年諾貝爾物理學獎授予約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷（Michel H. Devoret） 和約翰·M·馬蒂尼斯（John M. Martinis）， 以表彰他們在電路中發現宏觀量子力學隧穿效應與能量量子化現象方面的成就。

圖源：諾貝爾物理學獎委員會

量子力學描述的是在單個粒子尺度上起重要作用的性質。在量子物理學中，這些現象被稱為“微觀”，即使它們小到光學顯微鏡都無法直接觀察。這與“宏觀”現象形成鮮明對比，宏觀現象由大量粒子組成。比如，一個日常生活中的球體由天文數量的分子組成，表現出完全的經典行為，沒有任何量子力學效應。我們知道，當你把球扔向墻壁，它一定會彈回來。然而，在微觀世界中，一個單獨的粒子有時卻能“穿透”相當于墻壁的障礙，出現在另一邊，這一量子力學現象稱為“隧穿效應（tunnelling）”。

圖源：諾貝爾物理學獎委員會

今年的諾貝爾物理學獎，表彰的是那些在“宏觀尺度”上觀測到量子隧穿效應的實驗，也就是說，這種效應發生在包含大量粒子的系統中。1984年和1985年，約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John Martinis）在加州大學伯克利分校進行了一系列實驗。他們搭建了一個由兩個超導體構成的電路，超導體是一種可以無電阻導電的材料，并在它們之間加入了一層不導電的極薄絕緣層。在這一實驗中，他們證明可以控制并研究這樣一種現象：超導體中的所有帶電粒子表現得仿佛它們是一個“整體粒子”，一個充滿整個電路的單一量子系統。

“穿墻術”：量子世界有多奇怪？

在我們的日常世界里，一個球扔向墻壁，必然會反彈回來。我們把這種由大量粒子組成的、符合日常經驗的現象稱為宏觀 (macroscopic)現象。

但在比顯微鏡尺度還小得多的 微觀 (microscopic)世界里，規則完全不同。一個微觀粒子，比如電子，在撞向能量壁壘時，有時并不會反彈，而是有一定概率直接“穿”過去，出現在另一邊。這個令人匪夷所思的現象，就是量子力學中的量子隧穿 (quantum tunneling)，俗稱“穿墻術”。

當你把球扔向墻時，它必定會被彈回。若球突然“出現在”墻的另一側，你會感到極度震驚。這正是量子物理被認為“詭異且反直覺”的原因所在。

圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學院

打個比方：你把球扔向一堵墻，它每次都會彈回來。但如果這個球是個量子粒子，那么你扔一萬次，可能就有一次，它會神秘地出現在墻的另一邊，就好像墻壁不存在一樣。

長久以來，人們認為這種現象只屬于微觀世界。而今年的諾獎得主們，卻成功地在一個由數十億粒子組成的“宏觀”系統中，觀測到了這種集體“穿墻”的奇景。

一場“宏大”的量子實驗

時間回到1984年和1985年，在加州大學伯克利分校，Clarke、Devoret 和 Martinis 合作進行了一系列開創性實驗。

他們構建了一個特殊的電路，核心部件是用一層薄薄的絕緣體隔開的兩個 超導體(一種可以無電阻導電的神奇材料)。在這個電路中，所有帶電粒子（庫珀對，即成對的電子）步調完全一致，行動起來就如同一個充滿整個電路的、巨大的“超級粒子”。

實驗開始時，這個“超級粒子”系統被困在一個零電壓的狀態，就像一個被卡住的開關，無法推到“開啟”位置。

實驗開始時沒有電壓，就像一個開關處于“關閉”狀態，被某種屏障阻止了轉到“開啟”。如果沒有量子力學的作用，這種狀態將永遠保持不變。但突然間，電壓出現了，仿佛開關在有屏障的情況下自己翻到了“開”的位置。這就是“宏觀量子隧穿”現象。圖源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學院

然而，奇跡發生了：在沒有任何外部能量推動的情況下，系統突然“隧穿”了能量壁壘，產生了一個可測量的電壓！這就像那個被卡住的開關，無視障礙，自己從“關閉”跳到了“開啟”。這就是實驗的核心，宏觀量子隧穿 (macroscopic quantum tunnelling)。

物理學家早在近一個世紀前就知道，隧穿是導致某類核衰變（α 衰變）的關鍵機制，原子核中的微小部分“穿出”勢壘并逃逸。圖源： Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學院

不僅如此，他們還通過向系統發射微波，發現系統只能吸收特定“份量”的能量，不多也不少。這完美證實了量子世界的另一個基本特性，能量量子化 (energy quantisation)。

從原子核到薛定諤的貓Schr?dinger's Cat

量子隧穿并非全新概念。早在1928年，物理學家就發現，放射性原子核的衰變就是一種隧穿現象，原子核的一部分粒子會“穿透”束縛它的能量壁壘，逃逸出來。

但這次的實驗不同。它不是由單個粒子完成的，而是由數十億個“庫珀對”組成的集體行為。在超導體中，電子兩兩配對形成庫珀對，它們失去了個性，像一個紀律嚴明的舞團，形成一個統一的整體，可以用一個共同的波函數來描述。正是這個宏觀的量子態，讓整個系統表現得像一個巨大的量子粒子。

在普通導體中，電子相互碰撞；而在超導體中，電子成對形成“庫珀對”，電流無阻流動。圖中的間隙表示“約瑟夫森結（Josephson junction）”。庫珀對的集體行為可視為單個粒子充滿整個電路。量子力學用一個共同波函數描述這種集體現象。圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學院

理論物理學家將這個實驗系統比作薛定諤那只著名的貓。在薛定諤的思想實驗中，貓處于“既死又活”的量子疊加態。這個實驗則在現實中創造了一個類似的東西：一個由海量粒子組成的宏觀系統，作為一個整體，卻遵循著微觀世界的量子規則。它雖然遠比一只小貓小，但在物理學家眼中，其本質非常接近。

克拉克、德沃雷和馬丁尼斯用超導電路進行實驗，電路芯片約1厘米大小。此前隧穿與能量量子化僅在少數粒子系統中觀測到，而此實驗首次在包含數十億庫珀對的宏觀系統中實現。

圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學院

有什么用？量子計算機的基石

這項看似深奧的發現，實際上為未來的技術鋪平了道路。

這個宏觀量子系統，可以被看作一個 “人造原子”。它有接口、有線路，可以被連接和控制，成為研究其他量子系統的強大工具。

更重要的是，它直接催生了量子計算的一個重要方向。Martinis 教授后來利用這項成果，將人造原子的最低兩個能級分別定義為 “0” 和 “1”，創造出了量子比特 (qubit)，量子計算機的信息基本單元。

量子系統的能量是離散的。能量越高，隧穿越容易；因此具有較高能量的系統平均“被困”時間更短。圖源：Johan Jarnestad / 瑞典皇家科學院

如今，基于超導電路的量子計算機，正是全球科技巨頭和頂尖實驗室競相研發的前沿領域之一。可以說，三位諾獎得主的工作，不僅加深了我們對物理世界基本規律的理解，也為開啟下一次信息技術革命奠定了堅實的基礎。

2025年諾貝爾物理學獎得主簡介

JOHN CLARKE

1942年生于英國劍橋。1968年獲英國劍橋大學博士學位?，F為美國加州大學伯克利分校教授。

MICHEL H. DEVORET

1953年生于法國巴黎。1982年獲法國巴黎第十一大學博士學位。現為美國耶魯大學及加州大學圣巴巴拉分校教授。

JOHN M. MARTINIS

1958年生。1987年獲美國加州大學伯克利分校博士學位。現為美國加州大學圣巴巴拉分校教授。

參考

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/