量子隧穿：從微觀粒子到“人造原子”，再到量子計算

2025年諾貝爾物理學獎授予約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷與約翰·馬蒂尼斯，以表彰他們在超導電路中觀測到宏觀量子隧穿與能量量子化的開創性實驗。這一成果把量子力學那些奇特的性質呈現在肉眼可見的系統中，讓人類得以在宏觀可見的尺度上“操控量子”，為量子計算與量子信息科學奠定了堅實的基礎。

量子力學誕生于對微觀世界的追問。從普朗克的能量量子化到薛定諤方程的提出，波粒二象性、不確定性與疊加原理等全新規律被揭示。但這些奇異特性在宏觀世界似乎消失無蹤。著名的“薛定諤的貓”思想實驗就是為了揭示量子理論在宏觀世界中的荒謬而提出的，畢竟在現實中，我們從未見過一只“既生又死”的貓，這也引出值得人們深思的議題：為什么微觀和宏觀世界遵循的規則會有這么大的差異？從微觀過渡到宏觀的界限在哪里？我們是否能通過技術手段讓更大的宏觀物體呈現出明顯的量子效應？這些問題長期以來被視為量子物理的核心難題。

克拉克（J. Clarke）、德沃雷（M. Devoret）與馬蒂尼斯（J. Martinis）的研究為這一問題提供了答案。他們通過極低溫與精密電路設計，讓數十億電子對在超導約瑟夫森結中保持相干，展現出量子隧穿與離散能級結構。這意味著量子規律不僅屬于原子與電子的世界，也能在宏觀體系中延續。這項工作不僅在基礎物理層面上驗證了量子力學在宏觀體系中的適用性，更在技術上揭示了如何通過人工電路實現可控的量子行為。

揭開量子隧穿的面紗

早在1920年代量子力學剛剛誕生之初，人們便在α衰變現象中發現了量子隧穿的蹤跡。按照經典力學，α粒子只有具備足夠高的能量時才能克服勢壘，逃逸出原子核，即發生α衰變。所謂勢壘，是由于原子核內的各種相互作用而在其周圍形成的一道屏障，它將粒子束縛在內，就像一堵無形的“能量墻”。但實驗中卻出現一個令人意外的現象：即使粒子沒有經典力學要求的足夠能量，它們依然能有一定的概率穿越勢壘，發生α衰變。

α粒子越過勢壘（?Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

1926年薛定諤方程被提出，為計算波函數及其隨時間的演化提供了有效方法。在量子力學里，波函數是一個極為關鍵的概念，它是一個與微觀粒子狀態相關的函數，包含粒子位置、動量等物理量的概率信息，通過波函數我們可以知道粒子出現在某一位置的概率大小。1928年，伽莫夫（G. Gamow）用波函數解釋了α粒子如何穿越勢壘逃逸出原子核，從而揭開了量子隧穿的面紗。當粒子總能量低于某一區域的勢能時，盡管波函數穿越該區域（勢壘）時呈指數衰減，但對于有限長度的勢壘而言，波函數在勢壘另一側依然存在。這意味著，即使粒子的能量低于勢壘的高度，它仍有可能穿越勢壘，這種奇特的量子現象就叫作“量子隧穿”。通過計算勢壘的高度和寬度，我們可以算出發生量子隧穿所需要的時間，這就是放射性元素半衰期的根源。

雖然波函數為量子隧穿提供了數學上的合理解釋，然而，這一結果反而凸顯了微觀和宏觀之間的深刻差異。設想我們向一面堅實的墻壁投擲數千個網球，在宏觀世界中，每一次投擲，網球都注定會反彈回來，而在微觀世界，粒子卻可能發生量子隧穿，就像突然有個網球穿墻而過，出現在了墻的另一側。這種“穿墻而過”的奇異現象，似乎只在微觀世界才會發生。

經典反彈與量子隧穿的對比示意圖（?Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

那么，為什么這種在微觀世界中普遍存在的行為，卻從未在宏觀世界被觀察到？答案隱藏在量子相干性的脆弱之中。在宏觀尺度下，我們通常將一個體系近似視為孤立系統，因為環境對宏觀參數的影響微乎其微。然而，對于量子態而言，即便是極其微弱的相互作用，哪怕是空氣分子的一次輕微碰撞，也足以破壞其相干性。當系統的尺度增大、構成粒子增多時，其量子態會極易受到外界環境的擾動，導致量子態相干性不可避免地被破壞，這一過程極為迅速且強烈，使得量子疊加態迅速坍縮為經典狀態。因此，量子效應被完全掩蓋，經典物理規律主導了我們的日常經驗。

盡管如此，科學家仍在不斷探索讓量子規律在宏觀尺度顯現的可能性。人們發現，在極低溫、超高純度以及與環境充分隔離的條件下，量子態可以在宏觀體系中保持相干性。1911年，物理學家卡末林·昂內斯（H. Kamerlingh Onnes）在液化氦氣的實驗中首次發現了超導現象。1957年，巴丁（J. Bardeen）、庫珀（L. Cooper）和施里弗（J. Schrieffer）建立超導微觀理論（BCS理論）[1]，解釋了常規超導體的微觀特性。該理論指出，在低溫下，原本相互排斥的電子之間會產生一種微弱的吸引力，從而自發地配對形成一種穩定的結合態，即“庫珀對”。在普通導體中，電子呈現出費米子的性質，電子運動會不斷地發生碰撞，從而產生電阻。而在超導體中，庫珀對整體呈現出玻色子的性質。與費米子不同，玻色子在極低溫下，可以全部聚集到同一個能量最低的量子態，形成能由一個宏觀波函數描述的統一體系。庫珀對能夠以集體形式，在超導體中無電阻地流動。這種特殊的物理狀態為突破微觀與宏觀的界限帶來了曙光。

1960年，江崎玲于奈（L. Esaki）在半導體中發現了電子的隧穿現象，揭示了量子隧穿在固體體系中的真實存在。隨后，賈埃弗（I. Giaever）在超導體中觀測到單電子隧穿，首次測量到了超導能隙，驗證了BCS理論的正確性。1962年，約瑟夫森（B. D. Josephson）從理論上預言了庫珀對可以通過絕緣層隧穿形成無電壓超電流，即約瑟夫森效應[2]。在這里，隧穿的已不再是單個電子，而是由大量電子組成的相干量子態（庫珀對），因此引入了宏觀波函數的相位概念。雖然仍屬于粒子態直積（非薛定諤貓態），但已具備宏觀相干性的特征。

約瑟夫森的理論在1963年通過安德森（P. W. Anderson）等人的實驗得到了驗證[3]，實驗證實了庫珀對確實能夠實現量子隧穿。這一系列理論與實驗成果共同奠定了超導量子器件的基礎。1973年，諾貝爾物理學獎授予江崎玲于奈、賈埃弗與約瑟夫森，表彰他們在隧穿現象研究中從微觀到宏觀的開創性貢獻。

約瑟夫森效應的發現揭示了宏觀量子態的動力學特性，約瑟夫森結中相位差的演化行為可通過一個形象的“傾斜搓衣板勢模型”來直觀理解。當給約瑟夫森結施加一個直流偏置電流時，可以將約瑟夫森結中兩側超導體的相位差想象成一個“小球”，它在一個波浪形的斜坡（勢能曲線）上滾動。施加的電流較小時，斜坡微微傾斜，小球會被困在某個波谷（勢阱）中，此時結兩端沒有電壓，即系統處于零電壓態；隨著電流逐漸增大，斜坡更加傾斜，波谷變淺，小球有可能翻越勢壘逃出；一旦電流超過某一特定的臨界值，小球脫離波谷并滾下斜坡，結兩端便出現電壓，系統轉為有電壓態。與單個電子或原子的量子行為不同，約瑟夫森結中的相位差代表的是由無數庫珀對構成的集體變量，它可以被看作一個“宏觀量子坐標”。因此，如果能夠直接觀測到相位的量子隧穿或量子躍遷，就意味著量子力學的規律在宏觀體系中同樣成立。

傾斜的搓衣板勢模型

1980年代，理論物理學家萊格特（A. Leggett）提出了一個極具影響力的假設[4]，進一步論證了在宏觀超導量子器件中觀測到宏觀量子隧穿現象的可能性。他認為，超導和超流現象僅是大量微觀粒子的量子行為在宏觀層面上的集體表現，并不代表宏觀物體本身遵循量子力學的基本原理[5]。那么，我們是否能夠通過實驗驗證量子力學的基本原理同樣適用于宏觀物體，即“薛定諤的貓”是否可能存在？在超導量子器件（如超導量子干涉儀、約瑟夫森結等）中，由于電阻極低、耗散極弱且與環境的耦合可控，因此有可能觀測到真正意義上的宏觀量子現象。萊格特進一步提出了判定“宏觀量子性”的條件：體系必須具備可區分的宏觀態、顯著的量子效應以及有限的環境耦合。這一理論框架為實驗物理學家指明了方向，“薛定諤的貓”有望在實驗中得到驗證。

讓量子隧穿“肉眼可見”

克拉克在劍橋大學獲得博士學位后，于1968年赴美國加州大學伯克利分校任教，并組建了以超導物理為核心研究方向的研究團隊。1980年代中期，法國的德沃雷以博士后身份加入，隨后博士生馬蒂尼斯也成為核心成員。三人組成了一個跨代合作小組，三人從萊格特的設想出發，致力于在宏觀尺度上驗證量子隧穿效應。

要在宏觀尺度上觀察量子隧穿極為困難，因為哪怕極微弱的熱噪聲或電磁干擾，都可能掩蓋真正的量子效應。為此，他們設計了一個極其“安靜”的實驗環境，使用銅粉微波濾波器（超過200dB阻尼）來隔絕環境噪聲，并通過多級熱錨定有效消除了環境溫度波動對系統的影響。他們還采用共振激發技術[6]，實現了對宏觀量子隧穿過程的精確操控，而且實驗者可以直接測量所有關鍵參數，消除了理論擬合中的主觀誤差。這一系列技術為量子效應在宏觀體系中的穩定觀測奠定了前提。

系統從勢阱中逃逸有兩種機制：一是通過熱激發，只要溫度足夠，系統就能獲得足夠的能量翻越勢壘；其次是通過量子隧穿效應，像幽靈一樣直接“穿過”勢壘，逃出波谷。為了得到純粹的量子隧穿效應，他們多次重復試驗，分析發現：在高溫下，逃逸率受熱激發主導，而在降至某一臨界溫度以下后，逃逸率趨于常數，表明體系進入了由量子隧穿主導的區域。

實驗的核心就是利用約瑟夫森結觀測宏觀波函數的相位差從勢阱中逃逸的宏觀量子隧穿，電壓的出現就是宏觀量子隧穿發生的標志。當相位變量處于某一勢阱中時，體系對應零電壓狀態，電流雖通過結，但不會產生電壓信號。當發生宏觀量子隧穿時，電路中突然出現可測量的電壓，此時約瑟夫森結中成千上萬的庫珀對表現得就好像是一個充滿電路的單個電子，以波的方式在勢壘間隧穿[7]。

庫珀對的集體隧穿(a)正常導體中，電子相互碰撞；(b)超導體中，電子成對結合形成庫珀對；(c)庫珀對表現得好像它們是一個充滿電路的單個粒子。（?Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

更為關鍵的是，克拉克團隊進一步探測了體系的能級結構。在直流偏置的基礎上，他們向約瑟夫森結施加微波信號，結果發現，當微波頻率與體系能級間距相匹配時，逃逸速率出現明顯增強，對應第一、第二、第三激發態的隧穿過程。整個體系在吸收了特定能量后，會從基態躍遷至能量更高的量子態，再以量子隧穿的方式“逃出”勢阱。整個體系就像一個巨型的“人造原子”（artificial atom），表現出與單粒子量子系統相同的能級結構[8]。

這一實驗直接印證了萊格特關于“宏觀量子性”的理論預言。利用金屬超導電路，他們在實驗室中構建出了一個真正遵循量子力學規律的宏觀物體。這一體系由數十億個電子對組成，可觀測、可操控，宛如一只現實版的“薛定諤的貓”。量子力學的邊界在此被進一步拓展。

超導電路的實際應用

克拉克在1960年代末至1970年代初改進并推廣了超導量子干涉儀（superconducting quantum interference device, SQUID），首次實現了對單個磁通量子的直接測量。SQUID是一種能夠把磁通轉化為電壓的電磁傳感器，它利用了超導約瑟夫森效應和磁通量子化現象。當外部磁場穿過一個包含兩個約瑟夫森結的超導環時，會改變通過環路的磁通量，導致環路中的超導電流發生變化，這個電流的變化被轉化為電壓信號，從而實現對磁場的精確測量。SQUID的靈敏度高達10?1?特斯拉量級，能夠探測地球磁場變化、腦磁圖信號以及地質勘探中的微弱磁異常。它成為現代超導測量與醫學成像（如腦磁圖）的核心傳感器，也是量子信息系統中讀出量子態的關鍵元件。SQUID的出現，不僅使超導器件從基礎研究邁入工程應用，也展示了超導體系作為宏觀量子器件平臺的巨大潛力。

約瑟夫森結與SQUID一樣，同屬超導量子器件體系。在約瑟夫森結中成功觀測到宏觀尺度量子隧穿和能級量子化特性后，研究者逐漸認識到超導電路的更多可能。約瑟夫森結的能級結構本身就是天然的量子比特。在該體系中，兩個最低能級自然對應量子比特的“0”和“1”狀態。通過精細調節約瑟夫森結的參數（如面積、臨界電流、電容耦合強度等），可以精準控制量子態躍遷與相干演化，從而實現量子邏輯門操作。這種基于超導電路的量子比特，兼具可集成化、可擴展性和較長的相干時間等特性，迅速成為量子計算機研究的主流方案。自1999年中村泰信（Y. Nakamura）等人首次實現超導量子比特的相干振蕩，證明了量子態可被精確控制[9]以來，超導量子技術經歷了快速發展。

德沃雷在離開伯克利后，繼續發展微波量子電路與量子放大器技術，并在耶魯大學開創了“量子電路量子電動力學（cQED）”的實驗體系。這一體系使單個超導量子比特能夠與微波諧振腔實現強耦合，極大提升了信號可讀性與系統穩定性[10]，成為現代超導量子計算的核心框架。作為開創了超導量子電路和量子比特中一系列早期關鍵技術的領軍人物，克拉克、德沃雷和中村泰信共同獲得了2021年度“墨子量子獎”。

隨后，Transmon量子比特的誕生進一步優化了抗噪聲性能[11]，成為谷歌、IBM等公司芯片設計的核心方案。值得一提的是，馬蒂尼斯在加州大學圣塔芭芭拉分校時，就率先實現了多比特超導芯片的相干控制，并于2014年率團隊整體加入谷歌，主導超導量子處理器的研發。2019年，他帶領團隊發布了“懸鈴木（Sycamore）”量子處理器，在53量子比特體系中完成量子隨機線路采樣任務，聲稱實現“量子優勢”。然而，后續研究表明，利用改進的經典算法和高性能GPU集群，該任務在數秒內即可完成，懸鈴木的“量子優勢”不再成立。

在超導量子計算領域，我國也不斷取得重要成果，居于國際第一梯隊。2021年，潘建偉、朱曉波團隊在“祖沖之二號”超導量子處理器上實現了量子計算優越性，這是超導體系首個被嚴格證明的量子計算優越性（以最優經典算法為比較標準）。2025年3月，中國科大又發布了105量子比特超導原型機“祖沖之三號”，在量子隨機線路采樣任務中實現了比全球最快超級計算機快15個數量級的運算速度，性能領先谷歌2024年成果6個數量級，展示了我國在超導量子計算領域的國際競爭力。超導量子計算的競賽進入百量子比特規模的新階段。

盡管目前量子計算仍處于從理論驗證向實際應用的過渡階段，但2025年諾貝爾獎所表彰的工作無疑為其奠定了最深層的物理與技術基石：它提供了可擴展的量子體系框架，使多比特協同成為可能；揭示了如何精確測量與操控宏觀量子態，為高保真邏輯門與量子糾錯提供了理論依據；更重要的是，它讓人類首次具備了“設計量子現實”的能力——從約瑟夫森結中的量子隧穿，到如今上百比特的量子芯片，這條科學之路見證了量子力學從自然規律走向工程應用的偉大跨越。

“可知可控”的量子未來

在量子效應尚未在宏觀世界顯形的年代，量子物理以“觀察”為核心，致力于揭示自然界既有的量子現象。那是一個“可知而不可控”的量子時代——我們能夠理解微觀規律，卻無法主動塑造它。而如今，研究者通過設計超導電路，把量子效應“握在手中”。這種人工構建的量子系統標志著量子力學從描述自然的理論，轉變為可工程化的語言。

這種轉變與當代科學的另一場革命——人工智能——形成了深刻的呼應。從人工智能到人工原子，兩者展現出不同維度的人類能力躍升。人工智能通過算法與神經網絡的自組織，體現出軟件層面的智能；而超導量子計算機則在物理層面上實現了算力的跨越。當人類既能夠深入理解信息處理的規律，又能在量子層面精準操控物質狀態時，科學的角色發生了根本性的轉變。它不再僅僅是對自然的被動描述，而是成為一種主動塑造現實的力量。

量子計算機的不斷完善將推動人工智能進入新的計算范式，而人工智能的算法優化也將反過來助力量子控制與糾錯。軟件與硬件、智能與量子、微觀與宏觀，正在同一個框架中趨于融合。

回到最初的問題，微觀宏觀之間的界限正在一點點被打破。我們通過技術與實驗，讓量子相干延伸至宏觀體系。薛定諤的貓不再只是思想中的隱喻，而在超導量子芯片上躍遷、演化。量子世界，正在成為我們可以設計、操控與創造的現實。

參考資料

[1]Bardeen J, Cooper L N, Schrieffer J R. Theory of superconductivity. Physical Review, 1957, 108(5): 1175.

[2]Josephson B D. Possible new effects in superconductive tunnelling. Physics Letters, 1962, 1(7): 251-253.

[3]Anderson P W, Rowell J M. Probable observation of the Josephson superconducting tunneling effect. Physical Review Letters, 1963, 10(6): 230.

[4]Leggett A J. Prospects in ultralow temperature physics. Le Journal de Physique Colloques, 1978, 39(C6): C6-1264-C6-1269.

[5]Leggett A J. Macroscopic quantum systems and the quantum theory of measurement. Progress of Theoretical Physics Supplement, 1980, 69: 80-100.

[6]Devoret M H, Martinis J M, Esteve D, et al. Resonant activation from the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction. Physical Review Letters, 1984, 53(13): 1260.

[7]Devoret M H, Martinis J M, Clarke J. Measurements of macroscopic quantum tunneling out of the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction. Physical Review Letters, 1985, 55(18): 1908.

[8]Clarke J, Cleland A N, Devoret M H, et al. Quantum mechanics of a macroscopic variable: the phase difference of a Josephson junction. Science, 1988, 239(4843): 992-997.

[9]Nakamura Y, Pashkin Y A, Tsai J S. Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box. Nature, 1999, 398(6730): 786-788.

[10]Wallraff A, Schuster D I, Blais A, et al. Strong coupling of a single photon to a superconducting qubit using circuit quantum electrodynamics. Nature, 2004, 431(7005): 162-167.

[11]Koch J, Yu T M, Gambetta J, et al. Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box. Physical Review A, 2007, 76(4): 042319.

來源：科學雜志1915

編輯：77

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號