美英法科学家夺得诺奖: 在宏观尺度实现量子力学特性

北京时间2025年10月7日17时45分，2025年诺贝尔物理学奖揭晓，获奖者是约翰·克拉克 (John Clarke)、米歇尔·H·德沃雷特 (Michel H. Devoret) 和约翰·M·马丁尼斯 (John M. Martinis)，以表彰他们“发现电路中宏观尺度的量子隧穿效应与能量量子化现象” 。

获奖成果

量子隧穿是量子力学中的一种现象，即微观粒子能够穿越高于自身能量的势垒，如同穿墙而过然而一旦涉及大量粒子，这种量子效应就会变得飘渺难寻。但本届诺奖得主成功用实验证明：量子力学特性在宏观尺度上也能具体呈现，他们在一个足以手持尺寸的系统中，同时实现了量子隧穿效应与能量量子化现象。这种在肉眼可见的尺度上显现量子行为，在物理学中意义重大，因为它挑战了“量子效应仅在微观尺度显著”的传统认知。

1984至1985年间，三位获奖者采用超导体（即具有零电阻导电特性的元件）构建电子电路，开展了一系列实验。该电路中，超导元件由薄层绝缘材料分隔，这种结构被称为约瑟夫森结（Josephson junction）。通过精确调控和测量电路的各种参数，他们得以在通电时深入探究其中涌现的物理现象。流经超导体的带电粒子共同构成了一个系统，其行为恰似遍布整个电路的单一粒子。

这个类粒子的宏观系统初始处于零电压下电流持续流动的状态。系统受困于此状态，犹如被不可逾越的势垒阻挡。实验中，系统通过隧穿效应成功突破零电压状态，从而展现出量子特性。系统状态的转变通过电压信号的产生被检测到。

获奖者还证实了：该系统的行为完全符合量子力学预言，它具有量子化特征，即仅能吸收或发射特定份量的能量。

本届诺贝尔物理学奖的研究成果，为发展包括量子密码学、量子计算机与量子传感器在内的下一代量子技术开辟了广阔前景。诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松表示："百年历史的量子力学仍能持续带来新突破，确实值得庆贺。这更具有重大实用价值，因为量子力学正是所有数字技术的基石。"

获奖者简介

2025NobelPrize

JohnClarke

英国物理学家

John Clarke，英国物理学家，1942年生于英国，1968年在剑桥大学获得物理学博士学位，在加州大学伯克利分校完成博士后研究后，于1969年加入伯克利物理系任教，逐步晋升为正教授，领导超导量子干涉装置（SQUID）研究组，专注于超导噪声和量子测量技术。1980年代起，他扩展研究至暗物质轴子和量子信息应用。现任加州大学伯克利分校研究生院物理学教授。

他的主要研究领域是超导物理学和量子噪声，开创了超导量子干涉装置理论、设计与应用，推动轴子暗物质搜索、低频磁共振成像和超导量子比特读出，这些工作奠定量子噪声有限放大器基础并推进量子计算与暗物质探测。曾获得1999年美国国家科学院Comstock物理奖、2004年英国皇家学会休斯奖章，并于1986年当选英国皇家学会院士，2012年当选美国国家科学院外籍院士。

2025NobelPrize

Michel H. Devoret

法国物理学家

Michel H. Devoret，法国物理学家，1953年生于法国，1982年巴黎南部大学获得物理学博士学位，随后在法国原子能委员会萨克雷实验室从事博士后研究。1980年代起，在法国国家科学研究中心（CNRS）领导介观物理学组，专注于宏观量子隧道和单电子泵发明。1990年代，继续在CNRS推进电路量子电动力学研究。2002年加入耶鲁大学担任应用物理学教授，领导Quantronics实验室开发超导量子比特和纠错技术。2013-2023年任法国高等研究院介观物理学讲座教授。2023年起，转至加州大学圣芭芭拉分校担任教授。现任加州大学圣芭芭拉分校教授、谷歌量子人工智能首席科学家。

他的主要研究领域是固体物理学和量子信息，主要成果是开创电路量子电动力学和“量子电子学”领域，发明单电子泵、Quantronium超导量子比特，以及实现量子跳跃逆转和纠错，这些工作奠定超导量子计算基础，推动了量子比特纠缠和微波光子应用。曾获得2013年约翰·贝尔奖、2014年弗里茨·伦敦纪念奖和2021年米丘斯量子奖。

2025NobelPrize

John M. Martinis

美国物理学家

John M. Martinis，生于1958年，美国物理学家，现任加州大学圣巴巴拉分校物理学教授。他于1987年于加州大学伯克利分校获得物理学博士学位。自2002年以来，他一直致力于约瑟夫森结量子比特的研究，目标是建造第一台量子计算机。2021年，他因在量子力学基本问题及其应用方面的研究获得约翰·斯图尔特·贝尔奖。