解读｜2025物理诺奖：宏观尺度观测量子隧穿效应，系超导量子计算领域的重要开端

·“一些在工程上做出很大的突破、在成果转化或量子计算落地应用中做出很大贡献的科学家也有可能拿诺奖。”

瑞典皇家科学院10月7日宣布，三名科学家因在量子力学领域的贡献获2025年诺贝尔物理学奖。这是10月7日在瑞典斯德哥尔摩拍摄的2025年诺贝尔物理学奖公布现场。 新华社记者 彭子洋 摄

当地时间10月7日，瑞典皇家科学院决定将2025年诺贝尔物理学奖授予科学家约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）、约翰·M·马蒂尼斯（John M. Martinis），以表彰他们“发现电路中的宏观量子力学隧道效应和能量量子化”。

三人通过一系列实验证明，量子世界的奇特特性可在宏观系统中具象化。他们设计的超导电路系统能从一种状态隧穿到另一种状态，仿佛直接穿过一堵墙。他们还证实，该系统会以特定大小的能量“剂量”吸收和释放能量，与量子力学的预测完全一致。三位获奖者将平分1100万瑞典克朗（约合836万元人民币）奖金。

计算机微芯片中的晶体管是我们身边成熟的量子技术的一个例子。今年的诺贝尔物理学奖为开发下一代量子技术提供了机遇，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器。诺贝尔物理学奖委员会主席奥勒·埃里克森表示，“能够庆祝百年量子力学不断带来新的惊喜，真是太棒了。它也意义非凡，因为量子力学是所有数字技术的基础。”

上海交通大学李政道研究所助理研究员应江华对澎湃科技表示，量子计算被视为未来科技革命的核心领域之一，三位获奖者的贡献堪称超导量子计算领域发展的重要开端。

在宏观尺度上观测到量子隧穿效应

1968年在英国剑桥大学获得博士学位后，克拉克移居美国，并在美国加利福尼亚大学伯克利分校组建了自己的研究团队，专注于利用超导体和“约瑟夫森结”（Josephson junction，超导隧道结）探索各类物理现象。20世纪80年代中期，德沃雷特在法国巴黎获得博士学位后，以博士后身份加入克拉克的研究团队。当时，博士生马蒂尼斯也在该团队中。三人共同承担起“证明宏观量子隧穿效应”的挑战。

量子力学描述的是单粒子尺度下显著的特性。在量子物理中，这种尺寸远小于光学显微镜的观测极限，这与“宏观现象”形成鲜明对比。宏观现象由大量粒子构成，例如日常生活中的一颗球由数量庞大的分子组成，不会表现出任何量子力学效应。球每次撞向墙面都会反弹回来，但在微观世界中，单个粒子有时会直接穿过等效的“壁垒”，出现在另一侧，这种量子力学现象就被称为“隧穿效应”。

今年诺贝尔物理学奖表彰的实验证明了隧穿效应可在包含大量粒子的宏观尺度上被观测到。1984年至1985年，克拉克、德沃雷特和马蒂尼斯在加利福尼亚大学伯克利分校开展了一系列实验。他们搭建了包含两个超导体的电路，并用一层完全不导电的薄材料将两个超导体隔开。他们成功优化了电路并测量了其所有特性，从而深入理解了电路的工作原理。

在实验中，他们成功控制并观测到一种现象：超导体中的所有带电粒子会协同运动，仿佛它们是一个充满整个电路的“单粒子”。这种类粒子系统会被困在“零电压电流态”中——在该状态下，电流无需电压即可流动，且系统没有足够能量脱离这一状态。而在实验里，该系统通过隧穿效应脱离零电压态、产生电压，展现出了量子特性。

三位获奖者还证实该系统具有“量子化”特征，也就是它只会以特定的能量值吸收或释放能量。他们向零电压态中引入了不同波长的微波，发现部分微波被系统吸收，且系统随后会跃迁到更高的能级。这一结果表明：系统能量越高，零电压态的持续时间就越短，这与量子力学的预测完全一致，就像被壁垒困住的微观粒子的行为一样。

为开发量子计算机技术创造可能

以往在宏观尺度上被观测到的其他量子效应，大多由大量“微观单元”及其各自的量子特性共同构成 。但此次实验从“本身具有宏观属性的状态”中，直接产生了宏观效应，即可测量的电压。

安东尼·莱格特（Anthony Leggett）等理论家将三位获奖者的“宏观量子系统”与埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）著名的“薛定谔的猫”思想实验进行了对比。在“薛定谔的猫”实验中，若不打开盒子观察，猫将处于“既活又死”的叠加态。薛定谔提出这一思想实验，旨在凸显这种状态的“荒谬性”，因为量子力学的特殊特性在宏观尺度上往往会消失，实验室中无法观测到一只猫的整体量子特性。莱格特认为，克拉克、德沃雷特和马蒂尼斯的一系列实验表明：存在“大量粒子协同运动、且完全符合量子力学预测”的现象。由于该实验测量的是“适用于整个系统的量子力学特性”，对量子物理学家而言，它与薛定谔设想的“量子猫”已十分接近。

这类宏观量子态为利用粒子微观世界的现象开展实验提供了新可能。它可被视为一种“大规模人工原子”，这种“原子”带有导线和接口，可接入新的实验装置或应用于新型量子技术。例如，“人工原子”可用于模拟其他量子系统，帮助研究者理解这些系统的特性。

目前，超导电路也是构建未来量子计算机的探索方向之一。今年的诺贝尔物理学奖为开发包括量子密码学、量子计算机和量子传感器在内的下一代量子技术创造了可能。马蒂尼斯后续开展的量子计算机实验就是利用了能量量子化的特性。他将具有量子化状态的电路用作“信息载体单元”（即 量子比特），其中最低能级和相邻的高能级分别对应0和1。

应江华表示，叠加和纠缠是量子力学最基本的两个特性，正是因为这两个特性才使得算力能够随着量子比特数目的增加而指数级增加，实现量子计算的优越性。理论上，一旦突破49个量子比特，那么算力可以超过目前最强大的经典计算机。

“马蒂尼斯最重要的贡献在于证明超导量子计算的优越性。”应江华表示，马蒂尼斯是超导量子计算领域的标志性人物，他曾是谷歌超导量计算团队的领导者，在工程化和量子计算的落地应用上有更为突出的贡献。”

诺贝尔奖传统上多授予“从0到1”的原创性科研成果，但在超导量子计算领域，马蒂尼斯的工作并非完全是从“0到1”的科学发现，而更多是从“1到99”的技术推进与工程落地阶段。应江华表示，诺奖也开始更多关注那些在实际科学成果转化、技术应用落地中发挥核心作用的研究者。“一些在工程上做出很大的突破、在成果转化或量子计算落地应用中做出很大贡献的科学家也有可能拿诺奖。”