小球穿墙而过，诺奖看见“量子革命”

21世纪经济报道记者 彭新

想象一下，有一颗小球，放在被墙分隔为左右两侧的房间里。按常理，它们只能在自己这一侧滚动，除非有人在墙中开一个洞。但小球忽然无声无息地出现在墙的另一边：没有门、没有钥匙，墙也完好无损，小球却完成了过墙。

当小球以单个粒子形态存在时，这一看似不可能的现象成为可能，它就是“量子隧穿”， 是一种量子力学现象。

量子力学通常用来解释微观世界现象，如单个粒子、原子或电子的行为。当系统变得越来越大，粒子越来越多时，量子效应就会被各种相互作用破坏掉，变得几乎看不见。

例如，一个由众多分子组成的小球不会表现出量子力学效应，球每次都会撞到墙上反弹，这就是人们熟悉的宏观世界。

让量子现象肉眼可见

今年获得诺贝尔物理学奖的三位物理学家约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret）和约翰·马丁尼斯（John M. Martinis）就在实验中证明，量子隧穿并不只属于微观世界，也可以出现在由无数粒子组成的宏观尺度系统中。即特定条件下，原本只在微观世界中存在的量子现象，在宏观尺度上展现了出来。

（约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯，因在电路中实现宏观量子力学隧穿效应和能量量子化方面的贡献，荣获2025年诺贝尔物理学奖。）

具体来说，三位科学家的获奖成果是，通过一个精密的超导电子电路，首次在肉眼可见的宏观尺度上，同时验证了两个核心量子特性：量子隧穿和能量量子化。

（图片来源：瑞典皇家科学院）

1980年代初，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯利用超导体构建了一个电子电路，并进行了一系列实验。

这些实验的核心元件是约瑟夫森结（Josephson junction）：两个超导体之间夹着一层极薄的绝缘层。与普通金属中靠自由电子导电不同，超导电路里是库珀对以零电阻方式成对流动，整个电路在低温下可像一个“宏观类粒子”那样被整体描述。

（图片来源：瑞典皇家科学院）

在超导体内，电子有序且无阻力地流动，整个系统如同单一粒子般运行于电路中。这个宏观的类粒子系统最初处于一种无电压的电流流动状态，系统受限于此状态，仿佛被一道无法穿越的势垒所阻挡。

实验显示，系统会通过量子隧穿逃逸到“运行态”（有电压态），并以电压跃迁作为观测信号。这是宏观量子隧穿的直接证据。更妙的是，实验还显示，该系统只能以特定能级吸收或释放能量，就像在房间里看到小球每次跳上不同高度的台阶，这与量子力学理论预测一致。

至此，我们可以这样说，三人的研究首次证明，宏观超导电路可作为可以被人类双手所触摸到的系统，严格遵循了量子力学。这一发现在我们熟悉的世界中，为量子世界装上窗户，让平时躲在显微镜下的量子现象，直接裸露在我们面前。

三人的发现，还使量子现象不仅让量子力学的抽象原理变得生动，更让其从微观走向可设计、可操控的装置，成为未来量子计算和量子科学的基础。

为“普适量子论”的天平再压下一格

量子力学的许多结论与日常直觉相左，“薛定谔的猫”思想实验最有名：微观层面的原子核可同时处于“已衰变/未衰变”的叠加状态，在实验中，这种不确定性“传染”给盒子里的猫，所以在没打开盒子前，按理论猫好像既活又死。然而在现实中，既生又死的猫是荒谬的，因为宏观物体受到环境等多重因素影响，量子叠加态往往会消失。

从1928年起，乔治·伽莫夫用量子隧穿解释了重核的α衰变，把“穿墙而过”变成核物理里的硬概念；此后，量子力学研究也从单粒子过程走向多粒子协同，超导系统因其独特的集体行为进入科学家视野。

到了20世纪70年代末，2003年诺奖得主安东尼·莱格特抛出设问：能否在实验室里做出一只“袖珍版薛定谔之猫”？他看中超导电路与环境的耗散耦合极弱，更有望维系宏观量子态，因此预言在这类电路中可以直接观测到“宏观量子隧穿”。

如今，诺奖得主们的实验明确显示：大量粒子可以协同展现量子行为，且结果与量子力学的定量预测一致——测得的是系统整体的量子特性，这与“量子猫”的思想极为接近。

可以说，三位科学家的工作把一个长期徘徊于哲学思辨层面的问题，转化成了一个可以通过实验数据来回答的精确科学问题。

那么，就本次诺贝尔奖而言，谁的“世界观”被加分了？

就“世界观”而言，这些成果为“普适量子论”增加了分量，在无人测量或干扰时，量子态按薛定谔方程连续演化，从原子到大型电路遵循同一规则，无需假设自然界中有一个神秘的“自动坍缩开关”。

当然，本次诺奖表彰的是可检验的实验发现与工程意义，为检验或排除各类客观坍缩模型提供了清晰路线图，并激励研究者构建更大、更复杂的系统来继续逼近量子—经典边界。至于测量问题与是否存在“坍缩机制”，仍是开放议题。

百年量子力学如何规模化商用

本次诺奖颁发给三位科学家的量子力学研究，正值量子力学诞生百年。

100年前，矩阵力学和波动力学的诞生标志着现代量子力学初步形成。百年之后，量子力学不仅为基础科学提供了深刻启示，还催生了众多革命性技术应用。

量子力学的应用史几乎构成现代科技的“隐形底座”：晶体管推动信息革命与集成电路产业；激光奠定光通信与精密制造；核磁共振成像让医学影像跨入无创高分辨率时代；原子钟与全球授时体系成为卫星导航与金融清算的时间基准；SQUID（超导量子干涉仪）等超导量子器件已经走进脑磁图等高灵敏生物医学成像。今天的超导量子计算、量子通信与量子传感，正是追随这条百年应用长链开展的“第二次量子革命”。

“当今使用的先进技术无一不依赖于量子力学和量子物理学。在我们身边就很容易找到例子，比如手机、电脑、相机以及连接我们世界的光纤电缆，”诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克森在颁奖仪式上说，他表示，百年来量子力学不断带来新的惊喜，它大有用处，为数字技术提供了基础。比如计算机芯片中的微晶体管，就是我们身边成熟的量子技术实际应用的一个例子。

诺贝尔奖评奖委员会还认为，宏观电路上“看见”量子，将为开发下一代量子技术提供机遇，如量子密码学、量子计算机和量子传感器等。

量子力学的相关应用正从是否可能，转向如何商业化，百年来，人类对此已经开展大量探索。

1999年，日本NEC团队在“单库珀对盒”上首次观测到相干振荡，证明了固态电路中可受控操纵量子态，为可工程化量子比特打开大门；随后，耶鲁团队提出transmon（透射子）设计，解决了超导量子计算发展初期的电荷噪声问题，成为今日超导量子机的主流路线。

无论是IBM为了向更多用户提供稳定的云服务，还是谷歌为了挑战量子计算的极限（量子优越性），都需要在耶鲁团队技术的基础上，进一步优化芯片设计、提高量子门操作的保真度，并探索更大的量子比特互连结构。这一切都可追溯到上世纪80年代三位诺奖得主的开创性实验设计。

中国的量子力学应用同样可圈可点：2017年，以“墨子号”为平台实现地面1200公里纠缠分发与星地量子密钥分发，证明了卫星在全球量子通信的可行性，这项研究利用量子纠缠的特性，成功建立并验证了远距离的量子通信链路；今年以来，我国刷新百公里量子直接通信速率纪录、成功构建300公里全连接量子直接通信网络、完成模块级量子直接通信设备搭载火箭的发射与回收验收，实现量子通信产业化应用推广。

在计算方向上，今年3月，由中国科学技术大学科研团队联合国内多家科研机构研制的超导量子计算原型机“祖冲之三号”正式对外发布，其处理“量子随机线路采样”问题的速度打破超导体系量子计算优越性世界纪录，比最快的超级计算机快千万亿倍。这些成果意味着中国在通信与计算两条量子力学应用主线上都跑到第一梯队。