物理學(xué)中的一個(gè)重要問(wèn)題是：能夠展現(xiàn)量子力學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)最大可以達(dá)到什么尺度。今年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者通過(guò)電路實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)尺寸足以置于掌心的系統(tǒng)中，展示了量子力學(xué)隧穿效應(yīng)與能量量子化。

量子力學(xué)允許粒子通過(guò)所謂“隧穿”的過(guò)程直接穿越勢(shì)壘。一旦涉及大量粒子，量子力學(xué)效應(yīng)通常會(huì)變得微不足道。獲獎(jiǎng)?wù)叩膶?shí)驗(yàn)證明，量子力學(xué)特性可以在宏觀尺度上得以具體呈現(xiàn)。

1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬丁尼斯利用超導(dǎo)體構(gòu)建了一個(gè)電子電路，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在該電路中，超導(dǎo)元件被一層薄薄的絕緣材料隔開(kāi)，這種結(jié)構(gòu)被稱為約瑟夫森結(jié)。通過(guò)精確改進(jìn)并測(cè)量其電路的各種特性，他們得以控制和探索當(dāng)電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象。流經(jīng)超導(dǎo)體的帶電粒子共同構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)，其行為猶如一個(gè)遍布整個(gè)電路的單一粒子。

這個(gè)宏觀的類粒子系統(tǒng)最初處于一種無(wú)電壓的電流流動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)受限于此狀態(tài)，仿佛被一道無(wú)法穿越的勢(shì)壘所阻擋。實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)通過(guò)隧穿效應(yīng)成功脫離零電壓狀態(tài)，從而展現(xiàn)了其量子特性。系統(tǒng)狀態(tài)的改變通過(guò)電壓的出現(xiàn)而被檢測(cè)到。獲獎(jiǎng)?wù)邆冞€證明了該系統(tǒng)的行為遵循量子力學(xué)的預(yù)測(cè)——它是量子化的，意味著它僅吸收或釋放特定數(shù)量的能量。

他們的研究首次無(wú)可辯駁地證明，一個(gè)由數(shù)十億對(duì)電子組成的、人手可以觸摸的“宏觀”物體——超導(dǎo)電路，可以像單個(gè)原子一樣，遵循量子力學(xué)的奇異規(guī)則。這項(xiàng)工作將量子世界從微觀粒子和思想實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域，成功帶入了可被精確設(shè)計(jì)和操控的宏觀工程系統(tǒng)中，為現(xiàn)代量子計(jì)算和量子科學(xué)的發(fā)展鋪平了道路。

自量子力學(xué)誕生以來(lái)，其結(jié)論就一直挑戰(zhàn)著人們的直覺(jué)。其中最著名的莫過(guò)于“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)：由于放射性原子核的衰變處于“衰變”與“未衰變”的疊加態(tài)，一只與之關(guān)聯(lián)的貓，也因此處在“生”與“死”的疊加態(tài)。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)形象地指出了將量子法則應(yīng)用到宏觀世界是何等荒謬。在現(xiàn)實(shí)世界中，我們從未見(jiàn)過(guò)一只“既生又死”的貓，這是因?yàn)楹暧^物體與周圍環(huán)境存在著無(wú)法避免的相互作用，這種相互作用會(huì)極快地破壞掉精巧的量子疊加態(tài)。

然而，一個(gè)大膽的問(wèn)題在20世紀(jì)70年代末被物理學(xué)家安東尼·萊格特提出：我們能否在實(shí)驗(yàn)室里，創(chuàng)造出一個(gè)“迷你版”的薛定諤的貓？他將目光投向了超導(dǎo)電路，因?yàn)槠錁O低的電阻意味著它與環(huán)境的耗散耦合非常微弱，這為維持宏觀量子態(tài)提供了可能。他預(yù)言，在超導(dǎo)電路中，或許可以觀測(cè)到一種被稱為“宏觀量子隧穿”的現(xiàn)象。

萊格特的理論構(gòu)想為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們指明了方向，而實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想的決定性工作，正來(lái)自于本次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家。1980年代，在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校，約翰·克拉克教授與他當(dāng)時(shí)的研究生約翰·馬丁尼斯以及來(lái)自法國(guó)的博士后米歇爾·德沃雷組成了一個(gè)強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)。他們的目標(biāo)非常明確：在一個(gè)簡(jiǎn)單的“電流偏置約瑟夫森結(jié)”系統(tǒng)中，尋找宏觀量子效應(yīng)存在的確定性證據(jù)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)是巨大的，任何來(lái)自外界的微小噪聲都可能“加熱”系統(tǒng)，其效果會(huì)與真正的量子隧穿現(xiàn)象相混淆，導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。

為了取得決定性的證據(jù)，伯克利小組展現(xiàn)了高超的實(shí)驗(yàn)技巧。他們?cè)O(shè)計(jì)并使用了一套包含銅粉微波濾波器在內(nèi)的復(fù)雜濾波鏈路，對(duì)特定頻率范圍內(nèi)的噪聲實(shí)現(xiàn)了驚人的衰減。同時(shí)，他們利用一種名為“共振激活”的技術(shù)，在不依賴?yán)碚摂M合的情況下，獨(dú)立地、原位測(cè)量了約瑟夫森結(jié)的等離子體頻率、阻尼電阻和臨界電流等所有關(guān)鍵參數(shù)，這使得他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直接與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行定量比較，排除了不確定性。經(jīng)過(guò)不懈的努力，他們最終取得了歷史性的突破。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度降低到某個(gè)臨界點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)的“逃逸”行為便不再依賴于溫度，其分布特征與量子隧穿的理論預(yù)測(cè)完全吻合，這證明了系統(tǒng)的行為是由量子力學(xué)主導(dǎo)，而非經(jīng)典的熱激活。更令人震驚的是，他們通過(guò)微波光譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)由無(wú)數(shù)庫(kù)珀對(duì)構(gòu)成的宏觀系統(tǒng)的能量，并非連續(xù)變化的，而是存在著像單個(gè)原子能級(jí)一樣分立的、量子化的能級(jí)。他們甚至觀測(cè)到了系統(tǒng)從不同的激發(fā)態(tài)隧穿出去的現(xiàn)象，其能量間隔與量子力學(xué)計(jì)算的結(jié)果精確相符。

這一系列實(shí)驗(yàn)清晰地表明：只要能夠與環(huán)境充分隔離，即便是大到可以“用手觸摸”的電路，其整體行為也會(huì)服從量子力學(xué)的規(guī)律。研究者曾將他們的系統(tǒng)比喻為“宏觀原子核”，并設(shè)想通過(guò)導(dǎo)線將這些“宏觀原子核”連接起來(lái)，去構(gòu)建全新的量子系統(tǒng)。克拉克、德沃雷和馬丁尼斯的工作，成為量子科學(xué)的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。它不僅證明了宏觀量子效應(yīng)的存在，更展示了人類有能力在實(shí)驗(yàn)室中制造并操控這樣的體系。

這一發(fā)現(xiàn)直接催生了“超導(dǎo)電路可作為人造原子”的思想，使其逐漸成為構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)最具潛力的平臺(tái)。如今，全球領(lǐng)先的量子研究團(tuán)隊(duì)廣泛使用的 Transmon 量子比特，以及極大延長(zhǎng)量子相干時(shí)間的電路量子電動(dòng)力學(xué)（cQED）架構(gòu)，其物理學(xué)基礎(chǔ)都可以追溯到上世紀(jì)八十年代這批奠基性實(shí)驗(yàn)。從驗(yàn)證一個(gè)曾被視作悖論的設(shè)想，到開(kāi)辟一個(gè)全新的量子工程領(lǐng)域，他們的研究展示了基礎(chǔ)科學(xué)如何在數(shù)十年后轉(zhuǎn)化為顛覆性的技術(shù)資源。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席奧勒·埃里克松表示：“能夠見(jiàn)證擁有百年歷史的量子力學(xué)不斷帶來(lái)新的驚喜，這實(shí)在令人欣喜。它也極具實(shí)用性，因?yàn)榱孔恿W(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基石?！?/p>

計(jì)算機(jī)微芯片中的晶體管便是環(huán)繞在我們身邊、已成熟應(yīng)用的量子技術(shù)之一。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為發(fā)展下一代量子技術(shù)，包括量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器，提供了新的機(jī)遇。