兩篇PRL問鼎物理諾獎，為超導(dǎo)量子計算機鋪平道路

北京時間10月7日17時45分，諾貝爾物理學獎公布，約翰?克拉克（John Clarke）、米歇爾?H?德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰?M?馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們“在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學隧穿效應(yīng)與能量量子化現(xiàn)象”。

今年的諾貝爾物理學獎授予三位科學家，他們進行了一系列實驗，在一個大到可以手持的電回路系統(tǒng)中，展示了量子隧穿和能量量子化效應(yīng)，解決了物理學中的一個核心問題：一個系統(tǒng)能展示量子力學效應(yīng)的最大尺寸是多少。這幾位獲獎?wù)叩膶嶒炞C明，量子力學特性可以在宏觀尺度上具體體現(xiàn)。 計算機微芯片中的晶體管，便是我們身邊已成熟應(yīng)用的量子技術(shù)實例之一。今年的諾貝爾物理學獎為下一代量子技術(shù)的發(fā)展提供了可能，包括量子密碼學、量子計算機以及量子傳感器等領(lǐng)域。

諾貝爾物理學獎委員會主席 Olle Eriksson 評論道：“能夠慶祝百年量子力學不斷帶來新的驚喜，真是太棒了。它也具有巨大的實用價值，因為量子力學是所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)。”

中國科學院物理研究所研究員羅會仟告訴《返樸》：本次諾獎是“導(dǎo)師+博后+博士生”的三劍客完美組合，他們通過發(fā)表兩篇《物理評論快報》（PRL）的論文贏得諾獎，跟當年的BCS何等相似！

北京計算科學研究中心教授薛鵬接受《返樸》采訪時說：“本次諾獎屬于意料之中，實至名歸。他們的研究成果是量子計算領(lǐng)域的奠基和里程碑之作，使得量子計算機從理論層面的研究變得可行，他們的奠基性研究為超導(dǎo)量子計算機的飛速發(fā)展鋪平了道路。”

北京量子信息科學研究院研究員、相干科技創(chuàng)始人金貽榮告訴《返樸》：三位開拓者通過超導(dǎo)電路，將量子效應(yīng)從微觀原子尺度擴展到宏觀尺度，標志著量子力學在更大系統(tǒng)中取得了應(yīng)用上的突破。正是這些突破，讓超導(dǎo)量子計算技術(shù)得以飛速發(fā)展，成為目前工程化程度最高、最具前景的量子計算技術(shù)路線之一。

北京理工大學物理學院量子技術(shù)研究中心教授尹章琦對《返樸》表示：“今年與2012年諾貝爾物理獎類似，都是給量子信息處理與量子計算的硬件，只不過今年給了超導(dǎo)電路系統(tǒng)，十三年前給了離子阱與中性里德堡原子系統(tǒng)。量子計算硬件拿獎差不多了，十年后可能就會給量子算法或者量子糾錯等理論突破。”

獲獎?wù)吆喗?/strong>

他們在芯片上進行的實驗揭示了量子物理學的運作

約翰·克拉克（John Clarke），1942年出生于英國劍橋，1968年獲英國劍橋大學博士學位，現(xiàn)任美國加利福尼亞大學伯克利分校教授。

米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret），1953年出生于法國巴黎，1982年獲法國巴黎南大學博士學位，現(xiàn)任美國耶魯大學（康涅狄格州紐黑文）及加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校教授。

約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），1958年出生，1987年獲美國加利福尼亞大學伯克利分校博士學位，現(xiàn)任加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校教授。

翻譯| 劉航、葉凌遠、一二三、董唯元

宏觀尺度上的量子特性??

2025年諾貝爾物理學獎得主John Clarke（約翰·克拉克）、Michel H. Devoret（米歇爾·H·德沃雷特）和John M. Martinis（約翰·M·馬丁尼斯）通過一系列實驗證明，量子世界中那些看似怪異的現(xiàn)象可以在一個足以握在手中的宏觀系統(tǒng)中具象化。他們的超導(dǎo)電路系統(tǒng)能夠像穿透墻壁一樣從一個狀態(tài)隧穿到另一個狀態(tài)，同時還展示了該系統(tǒng)以特定大小的能量量值吸收和釋放能量，正如量子力學所預(yù)言的那樣。

一系列開創(chuàng)性實驗

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量子力學描述了在單個粒子尺度上具有顯著特性的現(xiàn)象。在量子物理學中，這些現(xiàn)象被稱為微觀現(xiàn)象，即使它們比光學顯微鏡所能觀測的尺度還要小得多。這與由大量粒子組成的宏觀現(xiàn)象形成鮮明對比。例如，一個日常的球體由天文數(shù)字般的分子構(gòu)成，且不表現(xiàn)出任何量子力學效應(yīng)。我們知道，每次將球體拋向墻壁時，它都會反彈回來。然而，在微觀世界中，單個粒子有時會直接穿過等效的勢壘出現(xiàn)在另一側(cè)。這種量子力學現(xiàn)象被稱為?隧穿?。

今年的諾貝爾物理學獎表彰了一系列實驗，這些實驗證明了量子隧穿現(xiàn)象可以在包含大量粒子的宏觀尺度上被觀測到。1984年至1985年間，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開展了一系列實驗。他們構(gòu)建了一個由兩個超導(dǎo)體組成的電路，這些超導(dǎo)體能夠無電阻地傳導(dǎo)電流，并通過完全不導(dǎo)電的薄層材料將兩者隔開。實驗中，他們成功控制并研究了一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子會像單個粒子一樣協(xié)同行為，填滿整個電路。

當你朝墻扔一個球，它一定會朝你彈回來。如果這顆球突然出現(xiàn)在墻的另一側(cè)，你會感到極為震驚。在量子力學中，這種現(xiàn)象被稱為隧穿效應(yīng)——粒子能夠穿越經(jīng)典物理學中不可逾越的勢壘。正是這類現(xiàn)象讓量子物理獲得了怪異且反直覺的聲譽。

這個類粒子系統(tǒng)被困在一種無電壓卻有電流流動的狀態(tài)中——一種因能量不足而無法逃逸的狀態(tài)。實驗中，該系統(tǒng)通過量子隧穿逃逸零電壓狀態(tài)，展現(xiàn)出其量子特性，并產(chǎn)生電壓。獲獎?wù)哌€證明了該系統(tǒng)是量子化的，這意味著它只能以特定量值吸收或釋放能量。

實驗初始時完全沒有電壓，仿佛有一個處于關(guān)閉位置的杠桿，且某種障礙阻止它被撥到開啟狀態(tài)。若無量子力學的作用，這一狀態(tài)將保持不變。突然，電壓出現(xiàn)了——盡管存在障礙，杠桿仿佛從關(guān)閉切換到了開啟。實驗中發(fā)生的這一現(xiàn)象被稱為宏觀量子隧穿。

隧穿與跨越

為了推動研究，獲獎?wù)邆儜{借數(shù)十年發(fā)展起來的概念和實驗工具。與相對論一起，量子物理學構(gòu)成了所謂現(xiàn)代物理學的基礎(chǔ)，而研究者們用過去一個世紀的時間探索其內(nèi)涵。

單個粒子具備隧穿能力已是眾所周知。1928年，物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）意識到，某些重原子核傾向于以特定方式衰變的原因正是量子隧穿。核內(nèi)力的相互作用會在其周圍形成勢壘，束縛住所含粒子。然而，盡管存在這一勢壘，原子核的一小部分仍可能分裂出來，穿過勢壘并逃逸——留下一個已轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的原子核。若無量子隧穿，此類核衰變便不會發(fā)生。

隧穿是一種量子過程，這意味著其包含一定的隨機性。某些類型的原子核具有高而寬的勢壘，因此原子核的一部分可能需要很長時間才能跳出勢壘之外；而其他類型的原子核則更容易發(fā)生衰變。如果我們只觀察一個單獨的原子，我們無法預(yù)測這種情況何時會發(fā)生；但通過觀察大量同種原子核的衰變，我們可以測量出隧穿發(fā)生的平均預(yù)期時間。描述這一現(xiàn)象的最常用方式是半衰期的概念——即樣本中一半的原子核發(fā)生衰變所需的時間。

物理學家早在近一個世紀前就已經(jīng)知道，隧穿效應(yīng)在某種特定類型的核衰變——α 衰變（alpha decay）中是必不可少的。在這種衰變過程中，原子核中的一小部分物質(zhì)會突破勢壘，從核內(nèi)“逃逸”出來，并出現(xiàn)在核的外部。

物理學家很快便開始思考：是否有可能研究同時涉及多個粒子的隧穿現(xiàn)象。探索這種新型實驗的一種方法來自某些材料在極低溫下所呈現(xiàn)出的特殊現(xiàn)象。

在普通的導(dǎo)電材料中，電流的流動是因為其中存在可以在整個材料中自由移動的電子。而在某些材料中，這些穿過導(dǎo)體的電子會變得有組織，它們仿佛在進行一種同步的“舞蹈”，能夠無阻礙地流動。此時，這種材料就成為了超導(dǎo)體。

在超導(dǎo)體中，電子成對結(jié)合在一起，這些電子對被稱為庫珀對（Cooper pairs），以紀念萊昂·庫珀（Leon Cooper）。他與約翰·巴丁（John Bardeen）和羅伯特·施里弗（Robert Schrieffer）共同提出了超導(dǎo)現(xiàn)象的詳細理論描述，并因此獲得了1972年諾貝爾物理學獎。

庫珀對的行為與普通電子完全不同。電子具有很強的“個體性”，它們傾向于彼此保持距離——如果兩個電子具有相同的性質(zhì)，它們就不能處于同一個位置。這一點在原子中表現(xiàn)得很明顯：電子會分布在不同的能級上，這些能級被稱為“電子層”。然而，當電子在超導(dǎo)體中結(jié)合成對時，它們失去了一部分個體特性；雖然兩個獨立的電子始終是可區(qū)分的，但兩個庫珀對卻可以完全相同。這意味著，在超導(dǎo)體中，所有的庫珀對可以作為一個整體來描述——它們構(gòu)成了一個單一的量子力學系統(tǒng)。用量子力學的語言來說，這個系統(tǒng)可以由一個單獨的波函數(shù)來描述。該波函數(shù)給出了在某個特定狀態(tài)下觀察到該系統(tǒng)的概率分布。

在普通導(dǎo)體中，電子彼此碰撞，同時也與材料發(fā)生相互作用。

當一種材料成為超導(dǎo)體時，電子會結(jié)合成對，形成庫珀對，并產(chǎn)生無電阻的電流。圖示中的空隙標示的就是約瑟夫森結(jié)。

庫珀對表現(xiàn)得仿佛它們是一個充滿整個電路的單一粒子。量子力學使用共享的波函數(shù)來描述這一集體狀態(tài)，而該波函數(shù)的性質(zhì)在獲獎?wù)叩膶嶒炛衅鸬搅撕诵淖饔谩?/p>

如果將兩個超導(dǎo)體連接起來，并在它們之間夾上一層薄薄的絕緣層，就會形成一個約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）。這一元件以布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson）的名字命名——他曾對這種結(jié)進行了計算，并發(fā)現(xiàn)當考慮結(jié)兩側(cè)的波函數(shù)時，會出現(xiàn)一些非常有趣的現(xiàn)象。約瑟夫森因此獲得了1973年諾貝爾物理學獎。約瑟夫森結(jié)很快就找到了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括對基本物理常數(shù)和磁場的精確測量等。

這一構(gòu)造也為以新的方式探索量子物理學的基本原理提供了工具。安東尼·萊格特（Anthony Leggett， 2003年諾貝爾物理學獎獲得者）就是其中一位，他關(guān)于約瑟夫森結(jié)宏觀量子隧穿的理論工作啟發(fā)了新型實驗。

研究小組開始工作

這些課題與約翰·克拉克（John Clarke）的研究興趣完美契合。他當時是美國加利福尼亞大學伯克利分校的教授，此前于1968年在英國劍橋大學獲得博士學位后前往伯克利任職。在伯克利，他組建了自己的研究團隊，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，米歇爾·德沃雷（Michel Devoret）在巴黎獲得博士學位后，加入了約翰·克拉克的研究組擔任博士后研究員。該小組還包括博士生約翰·馬蒂尼斯（John Martinis）。他們共同迎接了一個挑戰(zhàn)——演示宏觀量子隧穿現(xiàn)象。為了使實驗裝置免受各種可能影響結(jié)果的干擾，他們在實驗設(shè)計與屏蔽上投入了極大的精力與精確性。最終，他們成功地改進并測量了電路的所有性質(zhì)，從而能夠深入理解其工作機制。

為了觀測量子現(xiàn)象，他們向約瑟夫森結(jié)中輸入微弱電流，并測量與電路電阻相關(guān)的電壓。起初，約瑟夫森結(jié)兩端的電壓為零，這是符合預(yù)期的，因為系統(tǒng)的波函數(shù)被限制在一種不允許電壓出現(xiàn)的狀態(tài)中。隨后，他們研究了系統(tǒng)從這一狀態(tài)“隧穿”出去并產(chǎn)生電壓所需的時間。由于量子力學本身具有隨機性，他們進行了大量測量，并將結(jié)果繪制成圖表，從中可以讀取零電壓狀態(tài)持續(xù)的時間。這種方法與通過統(tǒng)計大量衰變事件來測定原子核半衰期的方式類似。

約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel Devoret）和約翰·馬蒂尼斯（John Martinis）構(gòu)建了一個基于超導(dǎo)電路的實驗。承載該電路的芯片約有一厘米大小。此前，隧穿和能量量子化現(xiàn)象僅在包含少量粒子的系統(tǒng)中被研究過；而在這里，這些現(xiàn)象出現(xiàn)在一個量子力學體系中——其中包含了充滿整個芯片超導(dǎo)體的數(shù)十億個庫珀對。通過這種方式，這項實驗將量子力學效應(yīng)從微觀尺度拓展到了宏觀尺度。

隧穿現(xiàn)象展示了實驗裝置中的庫珀對在其同步“舞動”中如何表現(xiàn)得像一個巨大的單一粒子。當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確認。量子力學之名正是來源于這樣一個事實：微觀過程中的能量被分割成獨立的“能量包”，即量子。

獲獎?wù)邆兿蛄汶妷籂顟B(tài)下的系統(tǒng)注入了不同波長的微波，其中一部分被系統(tǒng)吸收，系統(tǒng)因此躍遷到更高的能級。這表明，當系統(tǒng)包含更多能量時，零電壓狀態(tài)持續(xù)的時間會更短——這與量子力學的預(yù)測完全一致。被困在勢壘之后的微觀粒子，其行為方式與此相同。

處在勢壘之后的量子力學系統(tǒng)可以具有不同數(shù)量的能量，但它只能吸收或釋放特定數(shù)量的能量。這樣的系統(tǒng)是量子化的。隧穿在較高能級時比在較低能級時更容易發(fā)生，因此，從統(tǒng)計上看，具有較高能量的系統(tǒng)被“困住”的時間比低能量系統(tǒng)更短。

理論和實用價值

本實驗對量子力學的理解具有深遠影響。以往在宏觀尺度上展現(xiàn)的其他量子力學效應(yīng)，通常由大量微小個體單元及其獨立量子特性組合而成——這些微觀組分通過協(xié)同作用引發(fā)宏觀現(xiàn)象（如激光、超導(dǎo)體和超流體）。但本次實驗卻另辟蹊徑：它從一個本身即具有宏觀特性的量子態(tài)中，直接產(chǎn)生了可測量的宏觀電壓效應(yīng)。

理論物理學家安東尼·萊格特（Anthony Leggett）等人認為，獲獎?wù)邆儤?gòu)建的宏觀量子系統(tǒng)就如同“薛定諤的貓"思想實驗。在該思想實驗中，若不打開盒子觀察，貓將同時處于生與死的疊加狀態(tài)。薛定諤提出這一實驗的本意是揭示量子力學在宏觀尺度表現(xiàn)出的荒誕性——因為量子特性通常在宏觀層面會消失。我們顯然無法在實驗室中演示整只貓的量子特性。

但萊格特指出，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬丁尼斯進行的一系列實驗表明，確實存在涉及大量粒子的宏觀現(xiàn)象，其集體行為完全符合量子力學預(yù)測。雖然由眾多庫珀對組成的宏觀系統(tǒng)仍比一只貓小若干數(shù)量級，但由于實驗測量的是系統(tǒng)整體表現(xiàn)的量子力學特性，在量子物理學家眼中，這幾乎可與薛定諤的想象之貓相提并論。

這類宏觀量子態(tài)為理解微觀粒子世界現(xiàn)象的實驗開辟了新前景。它可以被視作人造量子態(tài)的基礎(chǔ)構(gòu)件——一種像樂高積木一樣的單元，能夠拼接組裝量子態(tài)，模擬其他量子系統(tǒng)，助力人類理解量子世界的奧秘。

此外由馬丁尼斯實施的量子計算機實驗正是運用了這種技術(shù)的典型案例——他精準利用了與其他兩位獲獎?wù)吖餐炞C的能量量子化現(xiàn)象。通過將具有量子化狀態(tài)的電路作為信息承載單元（即量子比特），他以最低能態(tài)和第一激發(fā)態(tài)分別代表"0"和"1"狀態(tài)。超導(dǎo)量子電路技術(shù)正是當前構(gòu)建未來量子計算機的重要探索路徑之一。

由此可見，本年度的獲獎?wù)邆儾粌H為物理學實驗室?guī)砹藢嶋H應(yīng)用價值，更為人類從理論層面理解物理世界提供了全新的認知維度。

參考來源：

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

本文轉(zhuǎn)載自《返樸》微信公眾號

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