瑞典皇家科學(xué)院10月7日宣布，三名科學(xué)家因在量子力學(xué)領(lǐng)域的貢獻獲2025年諾貝爾物理學(xué)獎。獲獎?wù)邽榧s翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬蒂尼斯，以表彰他們“發(fā)現(xiàn)電路中的宏觀量子力學(xué)隧道效應(yīng)和能量量子化”。

三位科學(xué)家通過一系列實驗證明，量子世界的奇特特性可在宏觀系統(tǒng)中具象化。他們設(shè)計的超導(dǎo)電路系統(tǒng)能從一種狀態(tài)隧穿到另一種狀態(tài)，仿佛直接穿過一堵墻。他們還證實，該系統(tǒng)會以特定大小的能量“劑量”吸收和釋放能量，與量子力學(xué)的預(yù)測完全一致。三人將平分1100萬瑞典克朗獎金。

計算機微芯片中的晶體管是我們身邊成熟的量子技術(shù)的一個例子。今年的諾貝爾物理學(xué)獎為開發(fā)下一代量子技術(shù)提供了機遇，包括量子密碼學(xué)、量子計算機和量子傳感器。諾貝爾物理學(xué)獎委員會主席奧勒·埃里克森表示，能夠慶祝百年量子力學(xué)不斷帶來新的驚喜，真是太棒了。量子力學(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)。

上海交通大學(xué)李政道研究所助理研究員應(yīng)江華表示，量子計算被視為未來科技革命的核心領(lǐng)域之一，三位獲獎?wù)叩呢暙I堪稱超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域發(fā)展的重要開端。

1968年，克拉克在英國劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位后移居美國，并在美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校組建了自己的研究團隊，專注于利用超導(dǎo)體和“約瑟夫森結(jié)”探索各類物理現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代中期，德沃雷特在法國巴黎獲得博士學(xué)位后，以博士后身份加入克拉克的研究團隊。當(dāng)時，博士生馬蒂尼斯也在該團隊中。三人共同承擔(dān)起“證明宏觀量子隧穿效應(yīng)”的挑戰(zhàn)。

量子力學(xué)描述的是單粒子尺度下的顯著特性。在量子物理中，這種尺寸遠小于光學(xué)顯微鏡的觀測極限，這與“宏觀現(xiàn)象”形成鮮明對比。宏觀現(xiàn)象由大量粒子構(gòu)成，例如日常生活中的一顆球由數(shù)量龐大的分子組成，不會表現(xiàn)出任何量子力學(xué)效應(yīng)。球每次撞向墻面都會反彈回來，但在微觀世界中，單個粒子有時會直接穿過等效的“壁壘”，出現(xiàn)在另一側(cè)，這種量子力學(xué)現(xiàn)象就被稱為“隧穿效應(yīng)”。

今年諾貝爾物理學(xué)獎表彰的實驗證明了隧穿效應(yīng)可在包含大量粒子的宏觀尺度上被觀測到。1984年至1985年，克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯在加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開展了一系列實驗。他們搭建了包含兩個超導(dǎo)體的電路，并用一層完全不導(dǎo)電的薄材料將兩個超導(dǎo)體隔開。他們成功優(yōu)化了電路并測量了其所有特性，從而深入理解了電路的工作原理。

在實驗中，他們成功控制并觀測到一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子會協(xié)同運動，仿佛它們是一個充滿整個電路的“單粒子”。這種類粒子系統(tǒng)會被困在“零電壓電流態(tài)”中——在該狀態(tài)下，電流無需電壓即可流動，且系統(tǒng)沒有足夠能量脫離這一狀態(tài)。而在實驗里，該系統(tǒng)通過隧穿效應(yīng)脫離零電壓態(tài)、產(chǎn)生電壓，展現(xiàn)出了量子特性。

三位獲獎?wù)哌€證實該系統(tǒng)具有“量子化”特征，也就是它只會以特定的能量值吸收或釋放能量。他們向零電壓態(tài)中引入了不同波長的微波，發(fā)現(xiàn)部分微波被系統(tǒng)吸收，且系統(tǒng)隨后會躍遷到更高的能級。這一結(jié)果表明：系統(tǒng)能量越高，零電壓態(tài)的持續(xù)時間就越短，這與量子力學(xué)的預(yù)測完全一致，就像被壁壘困住的微觀粒子的行為一樣。

以往在宏觀尺度上被觀測到的其他量子效應(yīng)，大多由大量“微觀單元”及其各自的量子特性共同構(gòu)成。但此次實驗從“本身具有宏觀屬性的狀態(tài)”中，直接產(chǎn)生了宏觀效應(yīng)，即可測量的電壓。

安東尼·萊格特等理論家將三位獲獎?wù)叩摹昂暧^量子系統(tǒng)”與埃爾溫·薛定諤著名的“薛定諤的貓”思想實驗進行了對比。萊格特認(rèn)為，克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯的一系列實驗表明：存在“大量粒子協(xié)同運動、且完全符合量子力學(xué)預(yù)測”的現(xiàn)象。由于該實驗測量的是“適用于整個系統(tǒng)的量子力學(xué)特性”，對量子物理學(xué)家而言，它與薛定諤設(shè)想的“量子貓”已十分接近。

這類宏觀量子態(tài)為利用粒子微觀世界的現(xiàn)象開展實驗提供了新可能。它可被視為一種“大規(guī)模人工原子”，這種“原子”帶有導(dǎo)線和接口，可接入新的實驗裝置或應(yīng)用于新型量子技術(shù)。例如，“人工原子”可用于模擬其他量子系統(tǒng)，幫助研究者理解這些系統(tǒng)的特性。

目前，超導(dǎo)電路也是構(gòu)建未來量子計算機的探索方向之一。今年的諾貝爾物理學(xué)獎為開發(fā)包括量子密碼學(xué)、量子計算機和量子傳感器在內(nèi)的下一代量子技術(shù)創(chuàng)造了可能。馬蒂尼斯后續(xù)開展的量子計算機實驗就是利用了能量量子化的特性。他將具有量子化狀態(tài)的電路用作“信息載體單元”（即 量子比特），其中最低能級和相鄰的高能級分別對應(yīng)0和1。

應(yīng)江華表示，疊加和糾纏是量子力學(xué)最基本的兩個特性，正是因為這兩個特性才使得算力能夠隨著量子比特數(shù)目的增加而指數(shù)級增加，實現(xiàn)量子計算的優(yōu)越性。理論上，一旦突破49個量子比特，那么算力可以超過目前最強大的經(jīng)典計算機。馬蒂尼斯最重要的貢獻在于證明超導(dǎo)量子計算的優(yōu)越性。他是超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域的標(biāo)志性人物，曾在谷歌超導(dǎo)量子計算團隊擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)者，在工程化和量子計算的落地應(yīng)用上有更為突出的貢獻。

諾獎也開始更多關(guān)注那些在實際科學(xué)成果轉(zhuǎn)化、技術(shù)應(yīng)用落地中發(fā)揮核心作用的研究者。