對話尹璋琦：量子力學屢受諾獎偏愛，是因為它和諾獎幾乎同時期出現

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第136期，對話北京理工大學物理學院量子技術研究中心教授尹璋琦。

嘉賓簡介：

尹璋琦，北京理工大學物理學院量子技術研究中心教授、博導，國家級青年人才項目入選者。研究方向包括懸浮光力學與量子精密測量、量子計算與量子模擬。

• 今年是量子力學誕生一百周年，所以頒給跟量子力學基本問題直接相關的技術或進步是很自然的選擇。

• 諾貝爾物理學獎和量子力學幾乎是同時出現的，這么有革命性意義的重大學科方向，自然會受到諾貝爾獎的提名。

• 我們和國外先進水平在量子力學方面的研究差距是有的，但沒有那么大。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

今年，正值量子力學誕生一百周年，諾獎委員會也趕來獻禮。

10月7日，瑞典皇家科學院決定，將2025年諾貝爾物理學獎授予約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷特（Michel H.Devoret）和約翰·馬蒂尼斯（John M.Martinis）三位量子物理學家，以表彰他們“在電路中發現宏觀量子力學隧穿效應和能量量子化”。

什么是“隧穿效應”？“能量量子化”怎么理解？為什么量子力學相關研究屢次受到諾獎的偏愛？我國在量子力學領域的研究與國際先進水平差距有多大？

獎項揭曉后，搜狐科技第一時間對話了尹璋琦教授，聽他深入解讀本屆諾貝爾物理學獎成果背后的量子奧秘。

以下為對話實錄（經整理編輯）

搜狐科技：諾獎頒給了“在電路中發現宏觀量子力學隧道效應和能量量子化”，您的第一反應是什么？

尹璋琦：看到頒獎人是意料之中，但獲獎題目有點意料之外。不過仔細想想好像也正常，諾獎委員會比較保守，所以會選擇這個比較安全的研究成果。

這三位獲獎人是因為40年前的工作而獲獎，第一位獲獎者是導師，后面兩位當時一個是博士后，一個是博士生。

搜狐科技：什么是“宏觀量子力學隧道效應”？

尹璋琦：隧穿效應實際上微觀的，早在六七十年代我們就知道它的大致原理了。超導體上面有電流，但如果兩個超導體之間隔了很薄的絕緣層，比如只有納米量級，通常來說只要有百納米的絕緣層，電流就會被阻斷。

這樣的一個超導系統溫度又很低，熱噪聲也沒有了，所以電子在流動的時候沒有阻力，唯一只會碰到一個絕緣層作為阻礙，但這個絕緣層特別薄，所以就可以像波一樣穿透過去，這就是量子力學的隧穿效應。

這樣的隧穿效應會導致超導的電流自發的出現震蕩，這就是約瑟夫森震蕩效應。其實早在19世紀70年代的時候這項研究就已經拿了諾貝爾獎，今年的諾獎是在這個項目的基礎上進一步做的實驗。

他們構建了一個使用超導電路的實驗裝置，以前隧穿效應和能量量子化主要在僅含少數粒子的系統中被研究，在他們的實驗中，這些量子現象出現在一個包含數十億個庫珀對的宏觀量子系統中，這些庫珀對遍布整個芯片上的超導體。所以他們的實驗將量子效應從微觀尺度推進到了宏觀尺度。

搜狐科技：“能量量子化”在電路里長什么樣？我們普通人能不能理解成“電爐子只能一份一份地發熱”？

尹璋琦：有點像，但不是那么的準確。這個電路其實發射的是微波，所以某種意義上說像微波爐，超導的微波爐，它發射的超導頻率是固定的，有一系列不同的特征頻率，它是很特殊的，一份一份地發出微弱的電磁波。

搜狐科技：這項基礎科學研究，未來可能會如何改變我們的生活？

尹璋琦：其實本質上就是想頒給量子計算機，但是諾獎委員會又怕犯錯，所以給這個40年前的基礎研究，它本身肯定是正確的，不會由于量子計算機做不出來而影響到研究本身。

他們的研究可以認為是人工原子或者人工量子比特，能做出量子計算機就是因為40年前的這個很繞口的“量子力學隧穿效應”，從這個基本的物理效應開始研究，不斷把現象做扎實，把它的控制表征測量做的越來越清楚，然后用到量子計算上，今天已經可以做到幾百個超導電路連成塊兒了，未來大家的目標是做出包含成千上萬個量子比特威力強大的量子計算機。

搜狐科技：去年諾獎給了AI-神經網絡物理，2025年又回到了量子器件，您怎么看待這種“一年工具、一年基礎”的交替節奏？

尹璋琦：今年倒是在預期范圍內的，因為今年是量子力學誕生一百周年，所以給跟量子力學基本問題直接相關的技術或進步是很自然的選擇。

搜狐科技：與2012年“測量并操控單個量子系統”的Serge Haroche實驗相比，今年獲獎工作“升級”在哪里呢？

尹璋琦：2012年的實驗其實是定義了天然量子比特，有了那個實驗才能實現基于天然量子比特的量子計算，而有了今年的實驗，才能給予人工操作電路實現量子比特，所以一個是天然的物理系統，一個是人造的。但某種意義上說，都給了量子計算。

搜狐科技：諾獎設立以來，有超30次都頒給了量子力學相關領域，為什么量子力學如此受偏愛？

尹璋琦：因為諾貝爾物理學獎和量子力學或者量子理論的出現幾乎是同時的。1900年提出了量子理論，1925年量子力學出現。一個新的學科剛出來，而且是這么有革命性意義的重大的學科方向，自然會受到諾貝爾獎的提名，而且從量子理論到比較系統完整的量子力學，這中間還出現了很多新的重要貢獻。

搜狐科技：諾獎委員會說“把量子世界奇異特性放大到肉眼可見尺度”，這一句話的背后又有哪些技術突破，能不能簡單給我們講講？

尹璋琦：量子效應很脆弱，要想在人工系統這種大尺度下做，首先要讓它變得相對來說壽命更長，就得放到一個比較單純的環境中，比如要先降溫，然后再把熱噪聲變沒。其次必須要選擇超導體，把系統本身的損耗降到最低。所以低溫電子學和超導的電子學這些技術都是必要的。當然還有電子學器件，包括微波放大器等都要有所突破。

搜狐科技：這項獲獎成果跟“量子計算”和“量子互聯網”之間隔了幾步？

尹璋琦：其實隔了很遠，今年諾獎給的是40年前的研究成果。四十年來，他們把這個技術發展到了極致，比如馬蒂尼斯2019年在谷歌公司工作時實現的量子霸權實驗，最近基于此系統人民也可以做量子糾錯。所以從今天來看，比如容錯的通用計算已經非常接近了。

但我也不好得出一個具體時間表，也許五年、十年之后會有相對更加成熟，更加穩定可靠的量子計算機出來，那從量子計算機到量子互聯網可能又需要一些時間和突破。

搜狐科技：目前我們和國外先進水平在量子方面的研究差距大嗎？

尹璋琦：差距是有的，但沒有那么大，我們國家在這方面的投入一直沒有斷，有十幾年了，人才團隊都在不斷地積累，從這方面講差距不大。從基礎研究角度可能有半年、一年的差距，主要是因為策略的問題。

我們現在還是“追隨型”的策略，并沒有說一定要在量子計算方面做到世界第一。美國為了實現世界第一，做了很多前沿探索，燒掉很多錢。我們現在會跟隨他們的一些公開信息，探尋可行路徑。但這也有一些漏洞和短板，因為我們會遇到一些沒有探索過的障礙，這肯定是需要堆錢和堆人的。

搜狐科技：我們在創新性這方面和國外的差距大嗎？

尹璋琦：我不覺得創新性會有太大的差距，主要是因為積累時間有限，所以團隊在梯隊力量方面是不足的。國外大概從40年前就開始做量子計算研究了，至少有兩三代學者，我們國家可能也就是從十年、二十年前才有人開始做這方面的研究，所以可能第二代年輕的學者剛剛起步。

但是現在年輕的學者們在思想和技術方面也都做的很好，目前這種實驗平臺、技術指標各方面指標也做的很不錯，有這些實驗的支撐，相應的新思想和新理論也會慢慢出現。

搜狐科技：量子計算機成熟后，我們的微信密碼還安全嗎？現在需要開始“抗量子加密”嗎？

尹璋琦：在“抗量子密碼”方面我我們國家已經在布局了，其實不光是我國，全世界各國政府都在布局。所以邏輯上是有備無患的，但這并不是說現在量子計算機就已經成熟，就已經能夠攻破公共密鑰密碼系統了，它展望的是未來十年、二十年，或三十年的時間。

如果有突破的話，需要在突破之前把整個密碼進行更換，因為當代的生活是構建在這樣一個密碼系統協議支撐下的，沒有密碼系統協議的支撐，整個信息網絡社會是無法交互、無法信任的。

現在無論是技術研究還是一些小型的應用示范都開始做了，等到了一定的時間節點，可能會通過立法或制定標準等方式，把微信密碼或者是網絡協議的整個系統進行調整。

搜狐科技：您對有志于加入量子力學研究的年輕人，有什么寄語？

尹璋琦：現在的研究環境比當年更好了，今天學習新的知識，特別像量子計算、量子信息這樣高度交叉的研究領域，我們有人工智能、大模型各方面的工具來支撐，所以會學的更快，你進入到這個領域，發揮自己的聰明才智會更加順滑。如果覺得這個方向有趣，就可以研究看看。

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