六十多年，三代诺奖得主接力，人造一个迷你版“薛定谔猫”

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撰文 |张天蓉

2025 年的诺贝尔物理学奖，授予了三位科学家，表彰他们“发现电路中的宏观量子力学隧穿效应和能量量子化现象”。这三位科学家分别是：出生于英国剑桥的约翰·克拉克（John Clarke，1942-），出生于法国巴黎的米歇尔·H·德沃雷特（Michel H Devoret，1953-），和生于美国约翰·M·马丁尼斯（John Martinis，1958-）。得奖时，三位都是美国加州大学的教授。

三位学者得诺奖的工作并不是获奖近期做出来的，而是在40年前。1985年左右，他们在美国加州大学伯克利分校的实验室里，通过一系列开创性的实验证明，量子世界的奇异特性可以在一个大到可以握在手中的宏观系统中具体实现。他们的超导电子系统可以从一种状态隧穿到另一种状态，就像直接穿过一堵墙一样。他们还证明了，该系统吸收和释放特定大小的量子化的能量，正如量子力学所预测的那样。

此外，他们的得奖工作，还与另外两位诺贝尔物理奖得主有关，可以算是站在巨人的肩上了。

01 从约瑟夫森结开始

具体来说，2025年诺奖得主的超导电子系统之关键部分是约瑟夫森结，与其相关的约瑟夫森效应，是在上世纪60年代被另一位22岁的年轻人发现的……。

年轻人叫布赖恩·约瑟夫森（Brian Josephson ，1940 年 --），是英国理论物理学家，剑桥大学物理学名誉教授。他以在超导和量子隧穿方面的开创性工作而闻名，获得了1973年诺贝尔物理奖。

约瑟夫森（1973年诺奖得主）在卡文迪许实验室发现约瑟夫森效应

约瑟夫森出生于英国，父母都是犹太人。他读研究生时成为剑桥大学卡文迪什实验室凝聚态理论小组的成员。科研生涯尽管顺利，但约瑟夫森毕竟太年轻，一旦提出什么新想法，不可能不受到物理大伽们的质疑。在他发现约瑟夫森效应的过程中，与两位前辈：巴丁和安德森的学术交往便颇富戏剧性。

那是1962年，那年，将在1977年获得诺奖的菲利普. 安德森39岁，在1956年和1972年获的诺奖的约翰·巴丁54岁，约瑟夫森才22岁。物理大伽和小研究生有了交集。

在一个超导实验中，电路被设计用来接收“普通”的隧道电流，即单个电子形成的电流，库珀对本身似乎并不会穿过氧化物。然而，约瑟夫森却有了一个想法，他计算库珀对本身是否也有可能穿过氧化物屏障。通过计算，约瑟夫森发现了一些令人惊讶，似乎不太符合直觉的结果！一是即使电压为零，也会有超电流穿过这个“结”（直流约瑟夫森效应）；此外，一旦施加电压，超电流就会发生振荡（交流约瑟夫森效应）。

这年，恰逢安德森从美国到剑桥访问一年，讲超导课程。安德森当年在固体物理界已有些名气，约瑟夫森对他的课程感兴趣而深入研究。于是，约瑟夫森向教课的安德森，展示了他用多体微观理论得到的计算结果。安德森检查了该理论并同意约瑟夫森的结论。

然而，美国物理学家巴丁，当时却反对约瑟夫森的工作，并立即提交了一篇文章，认为“不可能存在这样的超流体”。巴丁于1956 年1972 年，两获诺贝尔物理学奖，第二次诺奖就是因为他为解释常规超导而建立的BCS理论。对这样一位超导界的大神，约瑟夫森却坚持自己的观点，据理力争，颇有“初生牛犊不怕虎”的精神，令巴丁这位权威对他几乎也刮目相看。

不过，安德森一回到贝尔实验室，就联系了另一位实验科学家约翰·罗威尔。他们修改了外部电路配置，并在短时间内观察到了超电流还提交了论文发表。约瑟夫森预言的特殊超导现象：约瑟夫森效应被证实。

1962 年，约瑟夫森的计算结果发表在《物理快报》上，论文名字为《超导隧穿中可能出现的新效应》。同年，他当选为剑桥大学三一学院研究员，并于 1964 年以题为超导体非线性传导的论文获得博士学位。

所以，安德森教授的超导课，促成了约瑟夫森1973年的诺贝尔奖，安德森后来（1977年）也获得了诺贝尔物理奖。有趣的是，学生的诺奖比老师的还早了4年。

约瑟夫森无疑是位物理天才，令人们遗憾的是，他发现超导量子比特，但最后却患上“诺贝尔病“。所谓“诺贝尔病”，通常用来形容诺奖得主经常出现的怪癖，使他们晚年追逐伪科学，或产生某种疯狂的想法。从20 世纪 70 年代初开始，约瑟夫森将注意力转向主流科学界之外的问题：进行超验冥想，探索量子神秘主义。他开始相信造物主的存在，认为冥想可以带来神秘和科学的洞察力。

约瑟夫森效应（Josephson effect）讲的是一类量子隧穿效应。

电子的一般量子隧穿效应在1927年就被发现了，乔治·伽莫夫于1928年，用量子隧穿效应解释原子核的阿尔法衰变。然而，而超导中的超电流，是成对电子（库柏对）的无耗散流动。约瑟夫森则经过计算，预测到超导中的库柏对能够和普通电子那样，产生量子隧穿，即约瑟夫森效应。

约瑟夫森第一个预测到库珀对的隧道效应[1]。自旋电子对形成的“库柏对”是超导性的来源，根据1957年巴丁等人提出的BCS理论，低温超导中的电子并不是单个地进行运动，而是弱耦合稳定地配对在一起成库珀对。两个配对电子的自旋，一上一下，它们的动量也是数值相等而方向相反。两个电子成双成对纠结成一体，可以不受阻碍地快速移动而形成超导。

因此，在约瑟夫森的预测之前，人们仅知道非超导状态的电子可以借由量子隧穿效应流过绝缘层，而真正了解到超导状态下的库柏对也有这种隧穿现象存在，是在约瑟夫森预言，安德森等实验证实之后，见图2。

图2：约瑟夫森效应

02 “迷你版”薛定谔猫的设想

约瑟夫森效应的发现和解释，将量子隧穿现象，从单个电子的行为扩展到了超导状态下的“库柏对”，但它仍然是单个“粒子”的微观量子行为，从宏观角度看，难以理解。

自量子力学诞生以来，其结论就一直挑战着人们的直觉。最著名的例子是量子力学中的叠加态，人们经常用“薛定谔猫”的思想实验来描述它。薛定谔的思想实验旨在揭示这种情形的荒谬性，比如，在原子核的衰变中，粒子处于“衰变”与“未衰变”的叠加态，如果将此与宏观世界的物体，比如一只猫的生死联系起来，便会有一只“既生又死”的猫。这在现实世界中是不可能的，我们从未见到过。在宏观现象中，观察不到量子叠加态和量子纠缠态，是因为宏观物体与周围环境存在着无法避免的相互作用，这种相互作用会极快地破坏微观的叠加态和纠缠态，人们称之为“波函数塌缩”。

那么，如何将量子力学中的微观现象与我们常见的宏观现象联系起来呢？物理学家们从未停止此类的思考。也就是说，“薛定谔猫”的思想实验，用真实的猫肯定是无法实现的，不可能在实验室中证实猫的量子特性。但能否在实验室里，用某种方法创造出一个“迷你版”的薛定谔猫呢？

图3：安东尼·莱格特（2003年诺奖得主）

这便是英国物理学家安东尼·莱格特（Anthony Leggett，1938--）当年提出的一个大胆设想[2]。

安东尼·莱格特是量子力学领域的杰出物理学家，因其在超流体和超导领域的贡献而闻名，与他直接相关的是他在低温物理和量子现象方面的研究，特别是在液体氦（超流氦）的量子行为方面。他的工作深入探究了量子态，例如超流氦的 准粒子（声子、rotons等）和与液体氦的自旋有关的量子效应。他的研究也涉及量子自旋材料中的自旋动力学和相关量子现象，特别是在材料的低温相变中的作用。因为他“对超导体和超流体理论做出的先驱性贡献”，荣获2003年诺贝尔物理奖。

在20世纪70年代末，他预言，在超导电路中，或许可以观测到一种被称为“宏观量子隧穿”（Macroscopic Quantum Tunnelling, MQT）的现象。因为超导电路电阻极低，它与环境的耗散耦合非常微弱，这为维持宏观量子态提供了可能。

莱格特关于约瑟夫森结宏观量子隧穿的构想，为实验物理学家们指明了方向。而2025年诺奖得主80年代的工作，第一次实现了这一构想。

03 2025年诺奖得主的工作

莱格特大胆设想不容易，要真正在实验室里做出来，就更不容易了。不过，这在1980年代，由美国加州大学伯克利分校的三位科学家实现了。

约翰·克拉克生于英国剑桥。1968年在英国剑桥大学获得博士学位后，在加州大学伯克利分校获得了一个博士后研究职位，随后担任过助理教授（1969 年）、副教授（1971 年），以致物理学教授（1973 年至 2010 年），整个学术生涯都在伯克利大学度过。

当时（1982 to 1984），克拉克的博士后研究员米歇尔·H·德沃雷特从法国移民到美国，加上他的来自美国的研究生约翰·M·马丁尼斯，三人组成了一个强大的团队。他们的目标就是验证莱格特的猜想：在一个简单的“电流偏置约瑟夫森结”系统中，寻找宏观量子效应存在的确定性证据。

这类实验的挑战是巨大的，任何来自外界的微小噪声都可能改变系统，导致错误的结论。

最后，他们的一系列实验研究颇有成效[3]。他们至少观察到了这些电路中的两种量子效应：能量量子化和系统的宏观量子隧穿。前者是典型的量子现象，意味着电路只能存在于某些离散的能量状态，就像原子中的电子一样，见图4左下图。后一个就更有趣了，意味着电路可以从一个状态“跳跃”到另一个状态，而无需跨越势垒！这是量子隧穿的宏观版本，有效地突破了经典物理学中认为不可逾越的障碍（图4右图）。因为在经典物理学中，一个球没有足够的能量的话，是不可能滚过一座山的。除非山下挖有隧道，而微观量子世界中，不用挖隧道，总有一定的概率，粒子能跳过去。克拉克三人的电路仍然可以隧穿！至关重要的是，他们的电路系统足够大，已经可以算是“宏观” 实体，因此，他们第一次观测到了“宏观量子隧穿”现象，他们的演示有力地证明了量子力学并不仅仅局限于原子尺度。

克拉克的团队利用约瑟夫森结，将超导体的独特特性与量子隧穿现象相结合，创建了一个表现出量子行为的宏观电子电路。这个宏观电路行为类似于单个微观粒子。

最初，电路系统处于一种电流流动而没有任何电压的状态，原因是基于超导体的性质：即使没有外部电压，电流也会在其中流动。从经典角度看，处于这种初始状态的电路，犹如被困在一道无法跨越的高山下，状态似乎无法转换。但他们的实验，却给出了奇迹般的结果：零电压状态可以自发地（以一定的概率），从这种初始态，跃迁到电压不为0的状态。换言之，电路隧穿到了另一个状态！

量子隧穿现象，说明电路处于电压“为0”和“不为0”的两种状态之叠加态，它们按照一定的概率互相转换，如同“薛定谔的猫”。

三位科学家进行的实验表明，这些大量粒子的共同行为，看起来如同单个微观粒子的量子行为。尽管这种由许多库珀对组成的宏观系统仍然比现实中的猫，要小很多个数量级，但对于量子物理学家来说，它与薛定谔猫的宏观行为已经非常相似了。

图4：2025年诺奖得主的工作 图片来源：©瑞典皇家科学院

克拉克团队开创的宏观量子效应，代表了应用物理学的显著进步。他们的系统涉及大量的粒子，它们共同构成了一个宏观系统，但仍然保留着量子特性：具有量子化的能级，并且能够从一个状态隧穿到另一个状态。从理论上表明了，一个由大量粒子组成的宏观系统，包括流经超导电路的大量电子，可以用一个波函数来描述。这个波函数决定了在特定状态下观察到该量子系统具有某些特定属性的概率。

他们的工作在之后的几十年里产生了深远的应用，例如，人们利用类似系统中的两个最低能量状态作为固态量子比特。这种超导量子比特电路，是目前热门研究的量子计算机的基础。

三位获奖者之一的约翰·马丁尼斯，便曾经在谷歌从事利用超导量子比特构建量子计算机的工作。2019 年 10 月 23 日，马丁尼斯及其团队在《自然》杂志上发表了一篇题为《使用可编程超导处理器实现量子霸权》的论文，其中他们介绍了如何使用一种量子比特的量子处理器，首次实现量子霸权。

参考文献：

• [1] B.D. Josephson，Possible new effects in superconductive tunnelling，Physics Letters, 1(7), 1 July, pp. 251–253，1962.
• Wikipedia：Brian Josephson，https://en.wikipedia.org/wiki/Brian_Josephson
• [2] AO Caldeira, AJ Leggett，“Influence of dissipation on quantum tunneling in macroscopic systems”，Physical review letters 46 (4), 211, 1981
• [3] John M. Martinis, Michel H. Devoret, and John Clarke，“Experimental tests for the quantum behavior of a macroscopic degree of freedom: The phase difference across a Josephson junction”，Phys. Rev. B 35, 4682 – Published 1 April, 1987