物理學中的一個重要問題是：能夠展現(xiàn)量子力學效應的系統(tǒng)最大可以達到什么尺度。今年諾貝爾獎獲得者通過電路實驗，在一個尺寸足以置于掌心的系統(tǒng)中，展示了量子力學隧穿效應與能量量子化。

量子力學允許粒子通過所謂“隧穿”的過程直接穿越勢壘。一旦涉及大量粒子，量子力學效應通常會變得微不足道。獲獎者的實驗證明，量子力學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·馬丁尼斯利用超導體構建了一個電子電路，并進行了一系列實驗。在該電路中，超導元件被一層薄薄的絕緣材料隔開，這種結構被稱為約瑟夫森結。通過精確改進并測量其電路的各種特性，他們得以控制和探索當電流通過時產(chǎn)生的現(xiàn)象。流經(jīng)超導體的帶電粒子共同構成了一個系統(tǒng)，其行為猶如一個遍布整個電路的單一粒子。

這個宏觀的類粒子系統(tǒng)最初處于一種無電壓的電流流動狀態(tài)。系統(tǒng)受限于此狀態(tài)，仿佛被一道無法穿越的勢壘所阻擋。實驗中，該系統(tǒng)通過隧穿效應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)的改變通過電壓的出現(xiàn)而被檢測到。獲獎者們還證明了該系統(tǒng)的行為遵循量子力學的預測——它是量子化的，意味著它僅吸收或釋放特定數(shù)量的能量。

他們的研究首次無可辯駁地證明，一個由數(shù)十億對電子組成的、人手可以觸摸的“宏觀”物體——超導電路，可以像單個原子一樣，遵循量子力學的奇異規(guī)則。這項工作將量子世界從微觀粒子和思想實驗的領域，成功帶入了可被精確設計和操控的宏觀工程系統(tǒng)中，為現(xiàn)代量子計算和量子科學的發(fā)展鋪平了道路。

自量子力學誕生以來，其結論就一直挑戰(zhàn)著人們的直覺。其中最著名的莫過于“薛定諤的貓”思想實驗：由于放射性原子核的衰變處于“衰變”與“未衰變”的疊加態(tài)，一只與之關聯(lián)的貓，也因此處在“生”與“死”的疊加態(tài)。這個思想實驗形象地指出了將量子法則應用到宏觀世界是何等荒謬。在現(xiàn)實世界中，我們從未見過一只“既生又死”的貓，這是因為宏觀物體與周圍環(huán)境存在著無法避免的相互作用，這種相互作用會極快地破壞掉精巧的量子疊加態(tài)。

然而，一個大膽的問題在20世紀70年代末被物理學家安東尼·萊格特提出：我們能否在實驗室里，創(chuàng)造出一個“迷你版”的薛定諤的貓？他將目光投向了超導電路，因為其極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。他預言，在超導電路中，或許可以觀測到一種被稱為“宏觀量子隧穿”的現(xiàn)象。

萊格特的理論構想為實驗物理學家們指明了方向，而實現(xiàn)這一構想的決定性工作，正來自于本次獲獎的三位科學家。1980年代，在美國加州大學伯克利分校，約翰·克拉克教授與他當時的研究生約翰·馬丁尼斯以及來自法國的博士后米歇爾·德沃雷組成了一個強大的團隊。他們的目標非常明確：在一個簡單的“電流偏置約瑟夫森結”系統(tǒng)中，尋找宏觀量子效應存在的確定性證據(jù)。這項實驗的挑戰(zhàn)是巨大的，任何來自外界的微小噪聲都可能“加熱”系統(tǒng)，其效果會與真正的量子隧穿現(xiàn)象相混淆，導致錯誤的結論。

為了取得決定性的證據(jù)，伯克利小組展現(xiàn)了高超的實驗技巧。他們設計并使用了一套包含銅粉微波濾波器在內(nèi)的復雜濾波鏈路，對特定頻率范圍內(nèi)的噪聲實現(xiàn)了驚人的衰減。同時，他們利用一種名為“共振激活”的技術，在不依賴理論擬合的情況下，獨立地、原位測量了約瑟夫森結的等離子體頻率、阻尼電阻和臨界電流等所有關鍵參數(shù)，這使得他們的實驗結果可以直接與理論預測進行定量比較，排除了不確定性。經(jīng)過不懈的努力，他們最終取得了歷史性的突破。實驗數(shù)據(jù)顯示，當溫度降低到某個臨界點以下時，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測完全吻合，這證明了系統(tǒng)的行為是由量子力學主導，而非經(jīng)典的熱激活。更令人震驚的是，他們通過微波光譜技術發(fā)現(xiàn)，這個由無數(shù)庫珀對構成的宏觀系統(tǒng)的能量，并非連續(xù)變化的，而是存在著像單個原子能級一樣分立的、量子化的能級。他們甚至觀測到了系統(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計算的結果精確相符。

這一系列實驗清晰地表明：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，其整體行為也會服從量子力學的規(guī)律。研究者曾將他們的系統(tǒng)比喻為“宏觀原子核”，并設想通過導線將這些“宏觀原子核”連接起來，去構建全新的量子系統(tǒng)?？死?、德沃雷和馬丁尼斯的工作，成為量子科學的重要轉(zhuǎn)折點。它不僅證明了宏觀量子效應的存在，更展示了人類有能力在實驗室中制造并操控這樣的體系。

這一發(fā)現(xiàn)直接催生了“超導電路可作為人造原子”的思想，使其逐漸成為構建量子計算機最具潛力的平臺。如今，全球領先的量子研究團隊廣泛使用的 Transmon 量子比特，以及極大延長量子相干時間的電路量子電動力學（cQED）架構，其物理學基礎都可以追溯到上世紀八十年代這批奠基性實驗。從驗證一個曾被視作悖論的設想，到開辟一個全新的量子工程領域，他們的研究展示了基礎科學如何在數(shù)十年后轉(zhuǎn)化為顛覆性的技術資源。

諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃里克松表示：“能夠見證擁有百年歷史的量子力學不斷帶來新的驚喜，這實在令人欣喜。它也極具實用性，因為量子力學是所有數(shù)字技術的基石?！?/p>

計算機微芯片中的晶體管便是環(huán)繞在我們身邊、已成熟應用的量子技術之一。今年的諾貝爾物理學獎為發(fā)展下一代量子技術，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器，提供了新的機遇。