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两篇PRL问鼎物理诺奖，为超导量子计算机铺平道路

晰数塔互联网快讯
2025-10-07 19:18

本文来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：刘航等

当地时间10月7日11时45分，诺贝尔物理学奖公布，约翰・克拉克（John Clarke）、米歇尔・H・德沃雷（Michel H.Devoret）和约翰・M・马丁尼斯（John M.Martinis），以表彰他们“在电路中发现宏观量子力学隧穿效应与能量量子化现象”。

今年的诺贝尔物理学奖授予三位科学家，他们进行了一系列实验，在一个大到可以手持的电回路系统中，展示了量子隧穿和能量量子化效应，解决了物理学中的一个核心问题：一个系统能展示量子力学效应的最大尺寸是多少。这几位获奖者的实验证明，量子力学特性可以在宏观尺度上具体体现。计算机微芯片中的晶体管，便是我们身边已成熟应用的量子技术实例之一。今年的诺贝尔物理学奖为下一代量子技术的发展提供了可能，包括量子密码学、量子计算机以及量子传感器等领域。

诺贝尔物理学奖委员会主席Olle Eriksson评论道：“能够庆祝百年量子力学不断带来新的惊喜，真是太棒了。它也具有巨大的实用价值，因为量子力学是所有数字技术的基础。”

中国科学院物理研究所研究员罗会仟告诉《返朴》：本次诺奖是“导师+博后+博士生”的三剑客完美组合，他们通过发表两篇《物理评论快报》（PRL）的论文赢得诺奖，跟当年的BCS何等相似！

北京计算科学研究中心教授薛鹏接受《返朴》采访时说：“本次诺奖属于意料之中，实至名归。他们的研究成果是量子计算领域的奠基和里程碑之作，使得量子计算机从理论层面的研究变得可行，他们的奠基性研究为超导量子计算机的飞速发展铺平了道路。”

北京量子信息科学研究院研究员、相干科技创始人金贻荣告诉《返朴》：三位开拓者通过超导电路，将量子效应从微观原子尺度扩展到宏观尺度，标志着量子力学在更大系统中取得了应用上的突破。正是这些突破，让超导量子计算技术得以飞速发展，成为目前工程化程度最高、最具前景的量子计算技术路线之一。

北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授尹章琦对《返朴》表示：“今年与2012年诺贝尔物理奖类似，都是给量子信息处理与量子计算的硬件，只不过今年给了超导电路系统，十三年前给了离子阱与中性里德堡原子系统。量子计算硬件拿奖差不多了，十年后可能就会给量子算法或者量子纠错等理论突破。”

获奖者简介

他们在芯片上进行的实验揭示了量子物理学的运作

约翰·克拉克（John Clarke），1942年出生于英国剑桥，1968年获英国剑桥大学博士学位，现任美国加利福尼亚大学伯克利分校教授。

米歇尔·德沃雷（Michel H.Devoret），1953年出生于法国巴黎，1982年获法国巴黎南大学博士学位，现任美国耶鲁大学（康涅狄格州纽黑文）及加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校教授。

约翰·马丁尼斯（John M.Martinis），1958年出生，1987年获美国加利福尼亚大学伯克利分校博士学位，现任加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校教授。

翻译|刘航、叶凌远、一二三、董唯元

宏观尺度上的量子特性‌‌

2025年诺贝尔物理学奖得主John Clarke（约翰·克拉克）、Michel H.Devoret（米歇尔·H·德沃雷特）和John M.Martinis（约翰·M·马丁尼斯）通过一系列实验证明，量子世界中那些看似怪异的现象可以在一个足以握在手中的宏观系统中具象化。他们的超导电路系统能够像穿透墙壁一样从一个状态隧穿到另一个状态，同时还展示了该系统以特定大小的能量量值吸收和释放能量，正如量子力学所预言的那样。

一系列开创性实验

量子力学描述了在单个粒子尺度上具有显著特性的现象。在量子物理学中，这些现象被称为微观现象，即使它们比光学显微镜所能观测的尺度还要小得多。这与由大量粒子组成的宏观现象形成鲜明对比。例如，一个日常的球体由天文数字般的分子构成，且不表现出任何量子力学效应。我们知道，每次将球体抛向墙壁时，它都会反弹回来。然而，在微观世界中，单个粒子有时会直接穿过等效的势垒出现在另一侧。这种量子力学现象被称为‌隧穿‌。

今年的诺贝尔物理学奖表彰了一系列实验，这些实验证明了量子隧穿现象可以在包含大量粒子的宏观尺度上被观测到。1984年至1985年间，约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel Devoret）和约翰·马丁尼斯（John Martinis）在加州大学伯克利分校开展了一系列实验。他们构建了一个由两个超导体组成的电路，这些超导体能够无电阻地传导电流，并通过完全不导电的薄层材料将两者隔开。实验中，他们成功控制并研究了一种现象：超导体中的所有带电粒子会像单个粒子一样协同行为，填满整个电路。

当你朝墙扔一个球，它一定会朝你弹回来。如果这颗球突然出现在墙的另一侧，你会感到极为震惊。在量子力学中，这种现象被称为隧穿效应——粒子能够穿越经典物理学中不可逾越的势垒。正是这类现象让量子物理获得了怪异且反直觉的声誉。

这个类粒子系统被困在一种无电压却有电流流动的状态中——一种因能量不足而无法逃逸的状态。实验中，该系统通过量子隧穿逃逸零电压状态，展现出其量子特性，并产生电压。获奖者还证明了该系统是量子化的，这意味着它只能以特定量值吸收或释放能量。

实验初始时完全没有电压，仿佛有一个处于关闭位置的杠杆，且某种障碍阻止它被拨到开启状态。若无量子力学的作用，这一状态将保持不变。突然，电压出现了——尽管存在障碍，杠杆仿佛从关闭切换到了开启。实验中发生的这一现象被称为宏观量子隧穿。

隧穿与跨越

为了推动研究，获奖者们凭借数十年发展起来的概念和实验工具。与相对论一起，量子物理学构成了所谓现代物理学的基础，而研究者们用过去一个世纪的时间探索其内涵。

单个粒子具备隧穿能力已是众所周知。1928年，物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）意识到，某些重原子核倾向于以特定方式衰变的原因正是量子隧穿。核内力的相互作用会在其周围形成势垒，束缚住所含粒子。然而，尽管存在这一势垒，原子核的一小部分仍可能分裂出来，穿过势垒并逃逸——留下一个已转变为另一种元素的原子核。若无量子隧穿，此类核衰变便不会发生。

隧穿是一种量子过程，这意味着其包含一定的随机性。某些类型的原子核具有高而宽的势垒，因此原子核的一部分可能需要很长时间才能跳出势垒之外；而其他类型的原子核则更容易发生衰变。如果我们只观察一个单独的原子，我们无法预测这种情况何时会发生；但通过观察大量同种原子核的衰变，我们可以测量出隧穿发生的平均预期时间。描述这一现象的最常用方式是半衰期的概念——即样本中一半的原子核发生衰变所需的时间。

物理学家早在近一个世纪前就已经知道，隧穿效应在某种特定类型的核衰变——α衰变（alpha decay）中是必不可少的。在这种衰变过程中，原子核中的一小部分物质会突破势垒，从核内“逃逸”出来，并出现在核的外部。

物理学家很快便开始思考：是否有可能研究同时涉及多个粒子的隧穿现象。探索这种新型实验的一种方法来自某些材料在极低温下所呈现出的特殊现象。

在普通的导电材料中，电流的流动是因为其中存在可以在整个材料中自由移动的电子。而在某些材料中，这些穿过导体的电子会变得有组织，它们仿佛在进行一种同步的“舞蹈”，能够无阻碍地流动。此时，这种材料就成为了超导体。

在超导体中，电子成对结合在一起，这些电子对被称为库珀对（Cooper pairs），以纪念莱昂·库珀（Leon Cooper）。他与约翰·巴丁（John Bardeen）和罗伯特·施里弗（Robert Schrieffer）共同提出了超导现象的详细理论描述，并因此获得了1972年诺贝尔物理学奖。

库珀对的行为与普通电子完全不同。电子具有很强的“个体性”，它们倾向于彼此保持距离——如果两个电子具有相同的性质，它们就不能处于同一个位置。这一点在原子中表现得很明显：电子会分布在不同的能级上，这些能级被称为“电子层”。然而，当电子在超导体中结合成对时，它们失去了一部分个体特性；虽然两个独立的电子始终是可区分的，但两个库珀对却可以完全相同。这意味着，在超导体中，所有的库珀对可以作为一个整体来描述——它们构成了一个单一的量子力学系统。用量子力学的语言来说，这个系统可以由一个单独的波函数来描述。该波函数给出了在某个特定状态下观察到该系统的概率分布。

在普通导体中，电子彼此碰撞，同时也与材料发生相互作用。

当一种材料成为超导体时，电子会结合成对，形成库珀对，并产生无电阻的电流。图示中的空隙标示的就是约瑟夫森结。

库珀对表现得仿佛它们是一个充满整个电路的单一粒子。量子力学使用共享的波函数来描述这一集体状态，而该波函数的性质在获奖者的实验中起到了核心作用。

如果将两个超导体连接起来，并在它们之间夹上一层薄薄的绝缘层，就会形成一个约瑟夫森结（Josephson junction）。这一元件以布赖恩·约瑟夫森（Brian Josephson）的名字命名——他曾对这种结进行了计算，并发现当考虑结两侧的波函数时，会出现一些非常有趣的现象。约瑟夫森因此获得了1973年诺贝尔物理学奖。约瑟夫森结很快就找到了广泛的应用领域，包括对基本物理常数和磁场的精确测量等。

这一构造也为以新的方式探索量子物理学的基本原理提供了工具。安东尼·莱格特（Anthony Leggett，2003年诺贝尔物理学奖获得者）就是其中一位，他关于约瑟夫森结宏观量子隧穿的理论工作启发了新型实验。

研究小组开始工作

这些课题与约翰·克拉克（John Clarke）的研究兴趣完美契合。他当时是美国加利福尼亚大学伯克利分校的教授，此前于1968年在英国剑桥大学获得博士学位后前往伯克利任职。在伯克利，他组建了自己的研究团队，专注于利用超导体和约瑟夫森结探索一系列物理现象。

到20世纪80年代中期，米歇尔·德沃雷（Michel Devoret）在巴黎获得博士学位后，加入了约翰·克拉克的研究组担任博士后研究员。该小组还包括博士生约翰·马蒂尼斯（John Martinis）。他们共同迎接了一个挑战——演示宏观量子隧穿现象。为了使实验装置免受各种可能影响结果的干扰，他们在实验设计与屏蔽上投入了极大的精力与精确性。最终，他们成功地改进并测量了电路的所有性质，从而能够深入理解其工作机制。

为了观测量子现象，他们向约瑟夫森结中输入微弱电流，并测量与电路电阻相关的电压。起初，约瑟夫森结两端的电压为零，这是符合预期的，因为系统的波函数被限制在一种不允许电压出现的状态中。随后，他们研究了系统从这一状态“隧穿”出去并产生电压所需的时间。由于量子力学本身具有随机性，他们进行了大量测量，并将结果绘制成图表，从中可以读取零电压状态持续的时间。这种方法与通过统计大量衰变事件来测定原子核半衰期的方式类似。

约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel Devoret）和约翰·马蒂尼斯（John Martinis）构建了一个基于超导电路的实验。承载该电路的芯片约有一厘米大小。此前，隧穿和能量量子化现象仅在包含少量粒子的系统中被研究过；而在这里，这些现象出现在一个量子力学体系中——其中包含了充满整个芯片超导体的数十亿个库珀对。通过这种方式，这项实验将量子力学效应从微观尺度拓展到了宏观尺度。

隧穿现象展示了实验装置中的库珀对在其同步“舞动”中如何表现得像一个巨大的单一粒子。当研究人员观察到该系统具有量子化的能级时，他们获得了进一步的确认。量子力学之名正是来源于这样一个事实：微观过程中的能量被分割成独立的“能量包”，即量子。

获奖者们向零电压状态下的系统注入了不同波长的微波，其中一部分被系统吸收，系统因此跃迁到更高的能级。这表明，当系统包含更多能量时，零电压状态持续的时间会更短——这与量子力学的预测完全一致。被困在势垒之后的微观粒子，其行为方式与此相同。

处在势垒之后的量子力学系统可以具有不同数量的能量，但它只能吸收或释放特定数量的能量。这样的系统是量子化的。隧穿在较高能级时比在较低能级时更容易发生，因此，从统计上看，具有较高能量的系统被“困住”的时间比低能量系统更短。

理论和实用价值

本实验对量子力学的理解具有深远影响。以往在宏观尺度上展现的其他量子力学效应，通常由大量微小个体单元及其独立量子特性组合而成——这些微观组分通过协同作用引发宏观现象（如激光、超导体和超流体）。但本次实验却另辟蹊径：它从一个本身即具有宏观特性的量子态中，直接产生了可测量的宏观电压效应。

理论物理学家安东尼·莱格特（Anthony Leggett）等人认为，获奖者们构建的宏观量子系统就如同“薛定谔的猫"思想实验。在该思想实验中，若不打开盒子观察，猫将同时处于生与死的叠加状态。薛定谔提出这一实验的本意是揭示量子力学在宏观尺度表现出的荒诞性——因为量子特性通常在宏观层面会消失。我们显然无法在实验室中演示整只猫的量子特性。

但莱格特指出，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯进行的一系列实验表明，确实存在涉及大量粒子的宏观现象，其集体行为完全符合量子力学预测。虽然由众多库珀对组成的宏观系统仍比一只猫小若干数量级，但由于实验测量的是系统整体表现的量子力学特性，在量子物理学家眼中，这几乎可与薛定谔的想象之猫相提并论。

这类宏观量子态为理解微观粒子世界现象的实验开辟了新前景。它可以被视作人造量子态的基础构件——一种像乐高积木一样的单元，能够拼接组装量子态，模拟其他量子系统，助力人类理解量子世界的奥秘。

此外由马丁尼斯实施的量子计算机实验正是运用了这种技术的典型案例——他精准利用了与其他两位获奖者共同验证的能量量子化现象。通过将具有量子化状态的电路作为信息承载单元（即量子比特），他以最低能态和第一激发态分别代表"0"和"1"状态。超导量子电路技术正是当前构建未来量子计算机的重要探索路径之一。

由此可见，本年度的获奖者们不仅为物理学实验室带来了实际应用价值，更为人类从理论层面理解物理世界提供了全新的认知维度。

参考来源：

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