六十多年，三代諾獎得主接力，人造一個迷你版“薛定諤貓”

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撰文 |張?zhí)烊?/strong>

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2025 年的諾貝爾物理學獎，授予了三位科學家，表彰他們“發(fā)現(xiàn)電路中的宏觀量子力學隧穿效應和能量量子化現(xiàn)象”。這三位科學家分別是：出生于英國劍橋的約翰·克拉克（John Clarke，1942-），出生于法國巴黎的米歇爾·H·德沃雷特（Michel H Devoret，1953-），和生于美國約翰·M·馬丁尼斯（John Martinis，1958-）。得獎時，三位都是美國加州大學的教授。

三位學者得諾獎的工作并不是獲獎近期做出來的，而是在40年前。1985年左右，他們在美國加州大學伯克利分校的實驗室里，通過一系列開創(chuàng)性的實驗證明，量子世界的奇異特性可以在一個大到可以握在手中的宏觀系統(tǒng)中具體實現(xiàn)。他們的超導電子系統(tǒng)可以從一種狀態(tài)隧穿到另一種狀態(tài)，就像直接穿過一堵墻一樣。他們還證明了，該系統(tǒng)吸收和釋放特定大小的量子化的能量，正如量子力學所預測的那樣。

此外，他們的得獎工作，還與另外兩位諾貝爾物理獎得主有關，可以算是站在巨人的肩上了。

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從約瑟夫森結開始

具體來說，2025年諾獎得主的超導電子系統(tǒng)之關鍵部分是約瑟夫森結，與其相關的約瑟夫森效應，是在上世紀60年代被另一位22歲的年輕人發(fā)現(xiàn)的……。

年輕人叫布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson ，1940 年 --），是英國理論物理學家，劍橋大學物理學名譽教授。他以在超導和量子隧穿方面的開創(chuàng)性工作而聞名，獲得了1973年諾貝爾物理獎。

圖1：約瑟夫森（1973年諾獎得主）在卡文迪許實驗室發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應

約瑟夫森出生于英國，父母都是猶太人。他讀研究生時成為劍橋大學卡文迪什實驗室凝聚態(tài)理論小組的成員。科研生涯盡管順利，但約瑟夫森畢竟太年輕，一旦提出什么新想法，不可能不受到物理大伽們的質疑。在他發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應的過程中，與兩位前輩：巴丁和安德森的學術交往便頗富戲劇性。

那是1962年，那年，將在1977年獲得諾獎的菲利普. 安德森39歲，在1956年和1972年獲的諾獎的約翰·巴丁54歲，約瑟夫森才22歲。物理大伽和小研究生有了交集。

在一個超導實驗中，電路被設計用來接收“普通”的隧道電流，即單個電子形成的電流，庫珀對本身似乎并不會穿過氧化物。然而，約瑟夫森卻有了一個想法，他計算庫珀對本身是否也有可能穿過氧化物屏障。通過計算，約瑟夫森發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝，似乎不太符合直覺的結果！一是即使電壓為零，也會有超電流穿過這個“結”（直流約瑟夫森效應）；此外，一旦施加電壓，超電流就會發(fā)生振蕩（交流約瑟夫森效應）。

這年，恰逢安德森從美國到劍橋訪問一年，講超導課程。安德森當年在固體物理界已有些名氣，約瑟夫森對他的課程感興趣而深入研究。于是，約瑟夫森向教課的安德森，展示了他用多體微觀理論得到的計算結果。安德森檢查了該理論并同意約瑟夫森的結論。

然而，美國物理學家巴丁，當時卻反對約瑟夫森的工作，并立即提交了一篇文章，認為“不可能存在這樣的超流體”。巴丁于1956 年1972 年，兩獲諾貝爾物理學獎，第二次諾獎就是因為他為解釋常規(guī)超導而建立的BCS理論。對這樣一位超導界的大神，約瑟夫森卻堅持自己的觀點，據理力爭，頗有“初生牛犢不怕虎”的精神，令巴丁這位權威對他幾乎也刮目相看。

不過，安德森一回到貝爾實驗室，就聯(lián)系了另一位實驗科學家約翰·羅威爾。他們修改了外部電路配置，并在短時間內觀察到了超電流還提交了論文發(fā)表。約瑟夫森預言的特殊超導現(xiàn)象：約瑟夫森效應被證實。

1962 年，約瑟夫森的計算結果發(fā)表在《物理快報》上，論文名字為《超導隧穿中可能出現(xiàn)的新效應》。同年，他當選為劍橋大學三一學院研究員，并于 1964 年以題為超導體非線性傳導的論文獲得博士學位。

所以，安德森教授的超導課，促成了約瑟夫森1973年的諾貝爾獎，安德森后來（1977年）也獲得了諾貝爾物理獎。有趣的是，學生的諾獎比老師的還早了4年。

約瑟夫森無疑是位物理天才，令人們遺憾的是，他發(fā)現(xiàn)超導量子比特，但最后卻患上“諾貝爾病“。所謂“諾貝爾病”，通常用來形容諾獎得主經常出現(xiàn)的怪癖，使他們晚年追逐偽科學，或產生某種瘋狂的想法。從20 世紀 70 年代初開始，約瑟夫森將注意力轉向主流科學界之外的問題：進行超驗冥想，探索量子神秘主義。他開始相信造物主的存在，認為冥想可以帶來神秘和科學的洞察力。

約瑟夫森效應（Josephson effect）講的是一類量子隧穿效應。

電子的一般量子隧穿效應在1927年就被發(fā)現(xiàn)了，喬治·伽莫夫于1928年，用量子隧穿效應解釋原子核的阿爾法衰變。然而，而超導中的超電流，是成對電子（庫柏對）的無耗散流動。約瑟夫森則經過計算，預測到超導中的庫柏對能夠和普通電子那樣，產生量子隧穿，即約瑟夫森效應。

約瑟夫森第一個預測到庫珀對的隧道效應[1]。自旋電子對形成的“庫柏對”是超導性的來源，根據1957年巴丁等人提出的BCS理論，低溫超導中的電子并不是單個地進行運動，而是弱耦合穩(wěn)定地配對在一起成庫珀對。兩個配對電子的自旋，一上一下，它們的動量也是數值相等而方向相反。兩個電子成雙成對糾結成一體，可以不受阻礙地快速移動而形成超導。

因此，在約瑟夫森的預測之前，人們僅知道非超導狀態(tài)的電子可以借由量子隧穿效應流過絕緣層，而真正了解到超導狀態(tài)下的庫柏對也有這種隧穿現(xiàn)象存在，是在約瑟夫森預言，安德森等實驗證實之后，見圖2。

圖2：約瑟夫森效應

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“迷你版”薛定諤貓的設想

約瑟夫森效應的發(fā)現(xiàn)和解釋，將量子隧穿現(xiàn)象，從單個電子的行為擴展到了超導狀態(tài)下的“庫柏對”，但它仍然是單個“粒子”的微觀量子行為，從宏觀角度看，難以理解。

自量子力學誕生以來，其結論就一直挑戰(zhàn)著人們的直覺。最著名的例子是量子力學中的疊加態(tài)，人們經常用“薛定諤貓”的思想實驗來描述它。薛定諤的思想實驗旨在揭示這種情形的荒謬性，比如，在原子核的衰變中，粒子處于“衰變”與“未衰變”的疊加態(tài)，如果將此與宏觀世界的物體，比如一只貓的生死聯(lián)系起來，便會有一只“既生又死”的貓。這在現(xiàn)實世界中是不可能的，我們從未見到過。在宏觀現(xiàn)象中，觀察不到量子疊加態(tài)和量子糾纏態(tài)，是因為宏觀物體與周圍環(huán)境存在著無法避免的相互作用，這種相互作用會極快地破壞微觀的疊加態(tài)和糾纏態(tài)，人們稱之為“波函數塌縮”。

那么，如何將量子力學中的微觀現(xiàn)象與我們常見的宏觀現(xiàn)象聯(lián)系起來呢？物理學家們從未停止此類的思考。也就是說，“薛定諤貓”的思想實驗，用真實的貓肯定是無法實現(xiàn)的，不可能在實驗室中證實貓的量子特性。但能否在實驗室里，用某種方法創(chuàng)造出一個“迷你版”的薛定諤貓呢？

圖3：安東尼·萊格特（2003年諾獎得主）

這便是英國物理學家安東尼·萊格特（Anthony Leggett，1938--）當年提出的一個大膽設想[2]。

安東尼·萊格特是量子力學領域的杰出物理學家，因其在超流體和超導領域的貢獻而聞名，與他直接相關的是他在低溫物理和量子現(xiàn)象方面的研究，特別是在液體氦（超流氦）的量子行為方面。他的工作深入探究了量子態(tài)，例如超流氦的 準粒子（聲子、rotons等）和與液體氦的自旋有關的量子效應。他的研究也涉及量子自旋材料中的自旋動力學和相關量子現(xiàn)象，特別是在材料的低溫相變中的作用。因為他“對超導體和超流體理論做出的先驅性貢獻”，榮獲2003年諾貝爾物理獎。

在20世紀70年代末，他預言，在超導電路中，或許可以觀測到一種被稱為“宏觀量子隧穿”（Macroscopic Quantum Tunnelling, MQT）的現(xiàn)象。因為超導電路電阻極低，它與環(huán)境的耗散耦合非常微弱，這為維持宏觀量子態(tài)提供了可能。

萊格特關于約瑟夫森結宏觀量子隧穿的構想，為實驗物理學家們指明了方向。而2025年諾獎得主80年代的工作，第一次實現(xiàn)了這一構想。

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2025年諾獎得主的工作

萊格特大膽設想不容易，要真正在實驗室里做出來，就更不容易了。不過，這在1980年代，由美國加州大學伯克利分校的三位科學家實現(xiàn)了。

約翰·克拉克生于英國劍橋。1968年在英國劍橋大學獲得博士學位后，在加州大學伯克利分校獲得了一個博士后研究職位，隨后擔任過助理教授（1969 年）、副教授（1971 年），以致物理學教授（1973 年至 2010 年），整個學術生涯都在伯克利大學度過。

當時（1982 to 1984），克拉克的博士后研究員米歇爾·H·德沃雷特從法國移民到美國，加上他的來自美國的研究生約翰·M·馬丁尼斯，三人組成了一個強大的團隊。他們的目標就是驗證萊格特的猜想：在一個簡單的“電流偏置約瑟夫森結”系統(tǒng)中，尋找宏觀量子效應存在的確定性證據。

這類實驗的挑戰(zhàn)是巨大的，任何來自外界的微小噪聲都可能改變系統(tǒng)，導致錯誤的結論。

最后，他們的一系列實驗研究頗有成效[3]。他們至少觀察到了這些電路中的兩種量子效應：能量量子化和系統(tǒng)的宏觀量子隧穿。前者是典型的量子現(xiàn)象，意味著電路只能存在于某些離散的能量狀態(tài)，就像原子中的電子一樣，見圖4左下圖。后一個就更有趣了，意味著電路可以從一個狀態(tài)“跳躍”到另一個狀態(tài)，而無需跨越勢壘！這是量子隧穿的宏觀版本，有效地突破了經典物理學中認為不可逾越的障礙（圖4右圖）。因為在經典物理學中，一個球沒有足夠的能量的話，是不可能滾過一座山的。除非山下挖有隧道，而微觀量子世界中，不用挖隧道，總有一定的概率，粒子能跳過去。克拉克三人的電路仍然可以隧穿！至關重要的是，他們的電路系統(tǒng)足夠大，已經可以算是“宏觀” 實體，因此，他們第一次觀測到了“宏觀量子隧穿”現(xiàn)象，他們的演示有力地證明了量子力學并不僅僅局限于原子尺度。

克拉克的團隊利用約瑟夫森結，將超導體的獨特特性與量子隧穿現(xiàn)象相結合，創(chuàng)建了一個表現(xiàn)出量子行為的宏觀電子電路。這個宏觀電路行為類似于單個微觀粒子。

最初，電路系統(tǒng)處于一種電流流動而沒有任何電壓的狀態(tài)，原因是基于超導體的性質：即使沒有外部電壓，電流也會在其中流動。從經典角度看，處于這種初始狀態(tài)的電路，猶如被困在一道無法跨越的高山下，狀態(tài)似乎無法轉換。但他們的實驗，卻給出了奇跡般的結果：零電壓狀態(tài)可以自發(fā)地（以一定的概率），從這種初始態(tài)，躍遷到電壓不為0的狀態(tài)。換言之，電路隧穿到了另一個狀態(tài)！

量子隧穿現(xiàn)象，說明電路處于電壓“為0”和“不為0”的兩種狀態(tài)之疊加態(tài)，它們按照一定的概率互相轉換，如同“薛定諤的貓”。

三位科學家進行的實驗表明，這些大量粒子的共同行為，看起來如同單個微觀粒子的量子行為。盡管這種由許多庫珀對組成的宏觀系統(tǒng)仍然比現(xiàn)實中的貓，要小很多個數量級，但對于量子物理學家來說，它與薛定諤貓的宏觀行為已經非常相似了。

圖4：2025年諾獎得主的工作 圖片來源：?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

克拉克團隊開創(chuàng)的宏觀量子效應，代表了應用物理學的顯著進步。他們的系統(tǒng)涉及大量的粒子，它們共同構成了一個宏觀系統(tǒng)，但仍然保留著量子特性：具有量子化的能級，并且能夠從一個狀態(tài)隧穿到另一個狀態(tài)。從理論上表明了，一個由大量粒子組成的宏觀系統(tǒng)，包括流經超導電路的大量電子，可以用一個波函數來描述。這個波函數決定了在特定狀態(tài)下觀察到該量子系統(tǒng)具有某些特定屬性的概率。

他們的工作在之后的幾十年里產生了深遠的應用，例如，人們利用類似系統(tǒng)中的兩個最低能量狀態(tài)作為固態(tài)量子比特。這種超導量子比特電路，是目前熱門研究的量子計算機的基礎。

三位獲獎者之一的約翰·馬丁尼斯，便曾經在谷歌從事利用超導量子比特構建量子計算機的工作。2019 年 10 月 23 日，馬丁尼斯及其團隊在《自然》雜志上發(fā)表了一篇題為《使用可編程超導處理器實現(xiàn)量子霸權》的論文，其中他們介紹了如何使用一種量子比特的量子處理器，首次實現(xiàn)量子霸權。

參考文獻：

[1] B.D. Josephson，Possible new effects in superconductive tunnelling，Physics Letters, 1(7), 1 July, pp. 251–253，1962.

Wikipedia：Brian Josephson，https://en.wikipedia.org/wiki/Brian_Josephson

[2] AO Caldeira, AJ Leggett，“Influence of dissipation on quantum tunneling in macroscopic systems”，Physical review letters 46 (4), 211, 1981

[3] John M. Martinis, Michel H. Devoret, and John Clarke，“Experimental tests for the quantum behavior of a macroscopic degree of freedom: The phase difference across a Josephson junction”，Phys. Rev. B 35, 4682 – Published 1 April, 1987

本文轉載自《知識分子》微信公眾號

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