致敬量子力学百年，揭秘2025诺奖，“穿墙术”如何改变未来

日常生活中那些看似坚不可摧的规则，在某个更深层的世界里可能完全不适用？

比如，一个球明明没有足够的能量穿过一堵墙，却偏偏出现在了墙的另一边，这听起来就是不可能实现。

但在量子世界里，这种被称为“量子隧穿”的“穿墙术”却是每天都在发生的基本现象。

那么，这种微观粒子的神奇特性，竟然也能在由数十亿粒子组成的宏观电路中上演，这是否会彻底颠覆你对现实世界的认知？

2025年诺贝尔物理学奖的核心，正是将这份不可思议的想象，变成了被实验验证的科学事实。

“量子隧穿”：微观世界的神奇奥秘

2025 年的诺贝尔物理学奖照亮了物理学领域的一方天地。

这次，荣誉授予了约翰・克拉克、米歇尔・H・德沃雷特和约翰・M・马丁尼斯这三位杰出的物理学家。

而他们获奖的原因，正是那充满神秘色彩的 “在电路中发现宏观量子力学隧穿效应与能量量子化现象”。

那究竟什么是量子隧穿效应呢？把电子当作一个小小的球，当我们将这个小球用力掷向一堵坚实的墙壁时，按照常理，它要么被弹回来，要么就把墙砸出个窟窿才能通过。

然而，在那个诡谲莫测的量子世界里，事情变得超乎想象。

即便小球的能量远远不足以冲破墙壁，它却依旧有着一定的概率，就像施展了神奇的 “穿墙术” 一般。

完好无损地出现在墙壁的另一侧，这便是 “量子隧穿” 效应，也被形象地称作 “隧道效应”。

这个神奇的概念最早在 1927 年由德国的科学家弗里德里希・洪德在研究光谱的过程中提出，当时，或许谁也未曾料到，它竟有着如此强大的解释力。

就拿原子核的 alpha 衰变来说吧，像铀 235 这样的原子，其原子核内有着众多的质子和中子，它们本应被牢牢地束缚在一起，十分稳固。

可偏偏有时候，原子核会抛出一个由两个质子和两个中子组成的 alpha 粒子。

按照传统的理论，这些粒子根本没有足够的能量挣脱原子核的 “枷锁” ，那为何它们能跑出来呢？正是量子隧穿效应在其中发挥了奇妙的作用。

而且，量子隧穿效应可不只是在实验室里的小打小闹，就拿我们无比熟悉的太阳来说，太阳的能量来源于其核心的核聚变反应，也就是四个氢原子核聚变成一个氦原子核的过程。

在地球上，要想让这样的反应发生，那可得需要上亿度的高温，才能让带正电的质子克服彼此间强大的斥力，撞在一起。

可太阳的中心温度仅仅只有 1200 万度左右呀，距离要求的温度差得可不是一星半点，按常理这核聚变反应根本就没办法发生。

但神奇的是，它就是实实在在地发生了，这里面除了太阳核心有着极大的压力、极高的密度，使得粒子碰撞概率增大之外，量子隧穿效应同样功不可没。

不过，大家也别以为它会让太阳像个失控的 “火药桶” 一样瞬间爆炸，因为量子隧穿是个小概率事件。

所以太阳核心的聚变反应才得以缓慢、稳定地持续进行，让我们能在地球上长久地享受着阳光的恩泽。

从微观到宏观：“量子穿墙术” 的华丽升级

当我们还沉浸在微观量子隧穿那奇妙又神秘的世界中时，一场更为震撼的 “表演” 已经在宏观的舞台上悄然拉开帷幕。

那就是 “宏观量子隧穿”，仿佛是微观世界里的 “量子穿墙术” 经历了一场华丽的变身，开启了全新的篇章。

1984 - 1985 年，在加州大学伯克利分校的实验室里，一场意义非凡的实验正在紧锣密鼓地进行着。

三位科学家精心构建了一个独特的超导电路，这可不是普通的电路，它以 “约瑟夫森结” 为核心。

为了确保实验的准确性，他们还想尽办法屏蔽外界的各种干扰，并且维持着极低的温度环境。

就如同给这个微观世界打造了一个与世隔绝的 “纯净空间”，让实验能够不受外界因素的丝毫影响，真实地展现出量子世界的奥秘。

在这个精妙的实验装置里，起初，电路呈现出一种奇特的状态，明明没有电压，却有着电流在其中流淌，整个系统仿佛被困在了一个 “零电压态” 之中，让人摸不着头脑。

然而，就在不经意间，神奇的现象发生了，电压突然出现了跃变，就像是被禁锢一般。这意味着什么？

原来，这正是超导体中的 “库珀对” 在集体发力，它们通过量子隧穿的方式，成功突破了那看似不可逾越的绝缘层，使得整个系统从 “零电压态” 一下子跃迁到了 “有电压态”，如此直观地将宏观量子隧穿现象呈现在了人们眼前。

而且在这个过程中，科学家们还惊喜地发现，系统的能量并非是连续变化的，而是像上台阶一样，呈阶梯式变。

只会吸收或者释放特定能级的能量，这无疑又一次验证了 “能量量子化” 这一神奇的特性。

这一实验，就如同科学界的 “薛定谔的猫” 思想实验一样，有着重大的意义。

它把那些原本抽象得量子理论，转化成了可以实实在在被观测到的宏观电路现象，彻底打破了人们长久以来认为 “量子效应只存在于微观世界” 的固有认知。

而这背后，离不开三位获奖者紧密的协作以及他们各自深厚的学术积淀。

约翰・克拉克、米歇尔・H・德沃雷特和约翰・M・马丁尼斯，他们曾经同属加州大学伯克利分校的一个科研小组，在这个小小的科研天地里，形成了一种 “导师 - 博士后 - 博士生” 的默契协作模式。

约翰・克拉克，这位 1942 年生于英国，有着剑桥大学博士光环的学者，无疑是团队中的主导者。

早在 1968 年起，他就扎根于超导与约瑟夫森结的研究领域，在加州大学伯克利分校用心搭建起了研究的平台，为后续的实验奠定了坚实的基础。

米歇尔・H・德沃雷特呢，他 1953 年出生于法国，毕业于巴黎第十一大学并获得博士学位。

他身上兼具着深厚的理论功底和出色的实验能力，在实验设计的过程中，常常能提出那些关键的思路。

而约翰・M・马丁尼斯，作为团队里相对年轻的一员。

1958 年出生在美国，在克拉克的悉心指导下攻读博士学位并积极参与到实验当中，他的学术生涯可以说是与超导量子计算的发展紧密交织在一起。

从最初参与基础实验，到后来一步步主导着科研成果从实验室走向工程化落地，实现了研究成果的持续转化，让这些理论和发现能够真正走出实验室，走向更广阔的应用天地。

正是他们三人的齐心协力，以及这一历经近半个世纪验证的协作成果。

不仅让当初在实验室里还略显新奇的现象，逐渐成长为如今支撑整个量子技术领域的核心理论基础，也使得他们的协作模式成为了科研界跨阶段、跨角色合作的典范。

在超导量子计算领域，它提供了最为关键的实验基础，通过证实 “能量量子化” 这一特性，使得超导电路能够摇身一变，成为了量子比特的理想载体。

以最低能态和第一激发态分别代表 “0” 和 “1”，仿佛赋予了超导电路一种全新的 “语言”，让它能够在量子计算的世界里 “畅所欲言”。

同时，超导量子计算凭借着超低损耗、参数可灵活设计以及与半导体微加工工艺高度兼容等诸多优势。

已然成为了当前量子计算研究领域里的主流方向之一，吸引着全球众多科研力量投身其中，不断探索着量子计算的更多可能。

不仅如此，基于这一核心成果所涉及的约瑟夫森结技术，还为量子传感领域打开了一扇新的大门。

科学家们可以利用它进一步研发出超高灵敏度的量子传感器，这些传感器就如同拥有了 “火眼金睛” 一般。

能够敏锐地探测到那些极其微弱的磁场，甚至是生物体内细微的电信号等，为地球物理勘探、生物医学研究等多个领域带来了前所未有的突破。

三巨头之力：开启量子工程新时代

2025 年的诺贝尔物理学奖无疑是一座闪耀的里程碑，尤其在这量子力学诞生一百周年的特殊时刻，它被赋予了更为深远的意义与价值。

这一奖项，不仅仅是对约翰・克拉克、米歇尔・H・德沃雷特和约翰・M・马丁尼斯三位物理学家学术贡献的高度认可，更是在向全世界宣告，量子力学正阔步迈向一个全新的阶段。

约翰・克拉克宛如一位开拓者，在超高灵敏度测量领域深耕细作，凭借对约瑟夫森结量子特性的极致挖掘，打造出了令人惊叹的超强传感器。

这些传感器的灵敏度堪称一绝，竟能够探测到比普通冰箱贴还要弱上百亿倍的微弱磁场，而且它们的应用范围极为广泛。

从探测大脑产生的微弱磁信号以助力生物医学对神经活动的研究，到为勘探地下矿藏资源提供有力帮手。

再到在基础物理实验中充当 “火眼金睛”，极大地拓展了我们对世界的认知边界，深刻影响了多个领域的发展进程。

米歇尔・H・德沃雷特则凭借深厚的学术造诣，开创性地构建起了 “电路量子电动力学” 这一全新的理论框架与实验范式，为超导量子计算领域注入了强大的动力。

而约翰・M・马丁尼斯，既是一位卓越的物理学家，更是一位杰出的工程师和团队领导者。

他的职业生涯几乎就是超导量子计算从实验室的理论设想迈向工程化实现的一部生动简史。

他带领着团队在材料选择、设计优化、控制技术等各个关键环节披荆斩棘，不断攻克难题，使得超导量子比特的性能和稳定性都得到了极大的提升。

2019 年，作为谷歌硬件负责人，他带领团队成功研发出了 “悬铃木” 量子处理器。

这一拥有 53 个超导量子比特的设备，在特定的计算任务上展现出了惊人的实力，仅仅用 200 秒就完成了当时最强大的超级计算机需要耗费一万年才能完成的工作。

首次实现了 “量子优越性” 这一具有划时代意义的突破，向全世界有力地宣告，人类已然踏入了一个能够借助量子力学去解决那些经典计算机根本无法胜任的任务的崭新时代。

总之，三位获奖者的工作就像紧密咬合的齿轮，环环相扣、相辅相成。

让量子力学不再只是停留在理论层面，而是真正成为了我们改变世界、创造未来的强大技术引擎。

全球视野下的展望：量子突破的未来之路

站在全球的视角俯瞰，2025 年这一关于宏观量子隧穿的成果已然在科学史上留下了浓墨重彩的一笔，收获了极高的学术认可。

如今，量子科学在全球范围内，中国、美国、欧洲各国、日本、韩国等众多国家和地区都在积极投入力量，大力推进量子计算、量子传感等相关研究。

而 2025 年为全球的量子技术研发提供了统一的实验框架与理论参考，让各国科研人员在探索的道路上能够目标一致、少走弯路。

从而极大地加速了国际间的协作进程，使得全球量子科研力量能够汇聚在一起，形成一股更为强大的合力，共同去攻克那些横亘在量子技术发展道路上的难题。

结语

在量子世界的奇妙探索中，从微观量子隧穿到宏观的华丽变身，三位获奖者凭借卓越贡献开启量子工程新时代。

这一成果不仅在学术上意义非凡，更在全球视野下引领未来方向。虽面临诸多挑战，但只要持续钻研、携手合作，量子技术必将大放异彩，重塑我们的生活，让我们一同期待那充满无限可能的明天。