从宏观尺度揭示量子特性

来源：滚动播报

（来源：科创中国）

量子力学描述的是什么？是在单个粒子尺度上才“显现”的物理特性，被称为“微观”现象。这与“宏观”现象形成对比。

　　例如，一个日常生活中常见的球，其组成分子数是天文数字，但它不会表现出任何量子力学效应。每次把球扔向墙壁，它都会反弹回来。然而在微观世界中，一个单独的粒子有时却能直接穿过类似墙的障碍，出现在“墙”的另一侧——这种现象被称为“隧穿”。

　　今年的诺贝尔物理学奖，表彰了那些在宏观尺度上成功观测到量子隧穿现象的实验。1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马蒂尼斯3位科学家构建了一个包含两个超导体的电路，证明了可以控制并研究一种现象：超导体中的所有带电粒子协同运动，表现得就像一个单一的粒子，充满整个电路。该系统通过量子隧穿效应，向人们展现出了量子特性。

　　寻找统一行动的“库珀对”

　　3位获奖者借助了数十年来发展起来的理论概念和实验工具，试图研究一种能让多个粒子同时参与的隧穿现象。一个重要方向就是材料在极低温下出现的特殊现象。

　　在普通导电材料中，电流的产生是由于存在可在整个材料中自由移动的电子。但在另一些材料中，穿过导体的独立电子会变得有序，形成一种协调一致的“舞蹈”，毫无阻力地流动。此时材料就变成了超导体，而电子则两两结合成对。这种电子对被称为“库珀对”。

　　当超导体中的电子结成库珀对后，它们的部分个体性就消失了；但两个库珀对却可以完全相同。这意味着超导体中的所有库珀对可以被描述为一个整体，一个统一的量子力学系统。

　　从微观推进到宏观

　　20世纪80年代中期，德沃雷和马蒂尼斯加入克拉克的团队，共同承担起证明“宏观量子隧穿”的挑战。他们构建了一个使用超导电路的实验装置，承载该电路的芯片尺寸约为一厘米。此前，隧穿效应和能量量子化主要在仅含少数粒子的系统中被研究；而在此实验中，这些量子现象出现在一个包含数十亿个库珀对的宏观量子系统中，这些库珀对遍布整个芯片上的超导体。因此，这项实验将量子效应从微观尺度推进到了宏观尺度。

　　宏观系统“薛定谔之猫”

　　在宏观尺度上，人们无法在实验室中真正展示一只猫的量子叠加态。然而，理论物理学家安东尼·莱格特认为，今年3位获奖者所进行的一系列实验表明，确实存在一些现象，其中大量粒子共同表现出量子力学所预测的行为，在量子物理学家看来，它与“薛定谔之猫”在本质上是相当类似的。

　　今年的获奖者不仅深化了人们对物理世界的理解，也为发展新一代量子技术，包括量子加密、量子计算和量子传感等领域开辟了新路径。

（来源：科技日报 作者：张梦然）