今年的盧保物理學獎，為超導量子計算機鋪平道路

當地時間10月7日11時45分，盧保物理學獎公佈，頒給約翰・克拉克（John Clarke）、沙加度・H・德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰・M・馬田尼斯（John M. Martinis），以表彰他們「在電路中發現宏觀量子力學隧穿效應與能量量子化現象」。

今年的盧保物理學獎授予三位科學家，他們進行了一系列實驗，在一個大到可以手持的電回路系統中，展示了量子隧穿和能量量子化效應，解決了物理學中的一個核心問題：一個系統能展示量子力學效應的最大尺寸是多少。這幾位獲獎者的實驗證明，量子力學特性可以在宏觀尺度上具體體現。計算機微芯片中的晶體管，便是我們身邊已成熟應用的量子技術實例之一。今年的盧保物理學獎為下一代量子技術的發展提供了可能，包括量子密碼學、量子計算機以及量子傳感器等領域。

盧保物理學獎委員會主席 Olle Eriksson 評論道：「能夠慶祝百年量子力學不斷帶來新的驚喜，真是太棒了。它也具有巨大的實用價值，因為量子力學是所有數字技術的基礎。」

中國科學院物理研究所研究員羅會仟告訴「返樸」：本次諾獎是「導師+博後+博士生」的三劍客完美組合，他們通過發表兩篇《物理評論快報》（PRL）的論文贏得諾獎，跟當年的BCS何等相似！

北京計算科學研究中心教授薛鵬對「返樸」說：「本次諾獎屬於意料之中，實至名歸。他們的研究成果是量子計算領域的奠基和里程碑之作，使得量子計算機從理論層面的研究變得可行，他們的奠基性研究為超導量子計算機的飛速發展鋪平了道路。」

北京量子信息科學研究院研究員、相干科技創始人金貽榮告訴「返樸」：三位拓荒者通過超導電路，將量子效應從微觀原子尺度擴展到宏觀尺度，標誌著量子力學在更大系統中取得了應用上的突破。正是這些突破，讓超導量子計算技術得以飛速發展，成為目前工程化程度最高、最具前景的量子計算技術路線之一。

北京理工大學物理學院量子技術研究中心教授尹章琦對「返樸」表示：「今年與2012年盧保物理獎類似，都是給量子信息處理與量子計算的硬件，只不過今年給了超導電路系統，十三年前給了離子阱與中性列特堡原子系統。量子計算硬件拿獎差不多了，十年後可能就會給量子算法或者量子糾錯等理論突破。」

獲獎者簡介

他們在芯片上進行的實驗揭示了量子物理學的運作

約翰·克拉克（John Clarke），1942年出生於英國劍橋，1968年獲英國劍橋大學博士學位，現任美國加利福尼亞大學伯克利分校教授。

沙加度·德沃雷（Michel H. Devoret），1953年出生於法國巴黎，1982年獲法國巴黎南大學博士學位，現任美國耶魯大學（康涅狄格州紐黑文）及加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校教授。

約翰·馬田尼斯（John M. Martinis），1958年出生，1987年獲美國加利福尼亞大學伯克利分校博士學位，現任加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校教授。

宏觀尺度上的量子特性‌‌

2025年盧保物理學獎得主John Clarke（約翰·克拉克）、Michel H. Devoret（沙加度·H·德沃雷特）和John M. Martinis（約翰·M·馬田尼斯）通過一系列實驗證明，量子世界中那些看似怪異的現象可以在一個足以握在手中的宏觀系統中具象化。他們的超導電路系統能夠像穿透牆壁一樣從一個狀態隧穿到另一個狀態，同時還展示了該系統以特定大小的能量量值吸收和釋放能量，正如量子力學所預言的那樣。

一系列開創性實驗

量子力學描述了在單個粒子尺度上具有顯著特性的現象。在量子物理學中，這些現象被稱為微觀現象，即使它們比光學顯微鏡所能觀測的尺度還要小得多。這與由大量粒子組成的宏觀現象形成鮮明對比。例如，一個日常的球體由天文數字般的分子構成，且不表現出任何量子力學效應。我們知道，每次將球體拋向牆壁時，它都會反彈回來。然而，在微觀世界中，單個粒子有時會直接穿過等效的勢壘出現在另一側。這種量子力學現象被稱為‌隧穿‌。

今年的盧保物理學獎表彰了一系列實驗，這些實驗證明了量子隧穿現象可以在包含大量粒子的宏觀尺度上被觀測到。1984年至1985年間，約翰·克拉克（John Clarke）、沙加度·德沃雷（Michel Devoret）和約翰·馬田尼斯（John Martinis）在加州大學伯克利分校開展了一系列實驗。他們構建了一個由兩個超導體組成的電路，這些超導體能夠無電阻地傳導電流，並通過完全不導電的薄層材料將兩者隔開。實驗中，他們成功控制並研究了一種現象：超導體中的所有帶電粒子會像單個粒子一樣協同行為，填滿整個電路。

當你朝牆扔一球，它一定會朝你彈回來。如果這顆球突然出現在牆的另一側，你會感到極為震驚。在量子力學中，這種現象被稱為隧穿效應——粒子能夠穿越經典物理學中不可踰越的勢壘。正是這類現象讓量子物理獲得了怪異且反直覺的聲譽。

這個類粒子系統被困在一種無電壓卻有電流流動的狀態中——一種因能量不足而無法逃逸的狀態。實驗中，該系統通過量子隧穿逃逸零電壓狀態，展現出其量子特性，並產生電壓。獲獎者還證明了該系統是量子化的，這意味著它只能以特定量值吸收或釋放能量。

實驗初始時完全沒有電壓，彷彿有一個處於關閉位置的槓桿，且某種障礙阻止它被撥到開啟狀態。若無量子力學的作用，這一狀態將保持不變。突然，電壓出現了——儘管存在障礙，槓桿彷彿從關閉切換到了開啟。實驗中發生的這一現象被稱為宏觀量子隧穿。

隧穿與跨越

為了推動研究，獲獎者們憑藉數十年發展起來的概念和實驗工具。與相對論一起，量子物理學構成了所謂現代物理學的基礎，而研究者們用過去一個世紀的時間探索其內涵。

單個粒子具備隧穿能力已是眾所周知。1928年，物理學家佐治·伽莫夫（George Gamow）意識到，某些重原子核傾向於以特定方式衰變的原因正是量子隧穿。核內力的相互作用會在其周圍形成勢壘，束縛住所含粒子。然而，儘管存在這一勢壘，原子核的一小部分仍可能分裂出來，穿過勢壘並逃逸——留下一個已轉變為另一種元素的原子核。若無量子隧穿，此類核衰變便不會發生。

隧穿是一種量子過程，這意味著其包含一定的隨機性。某些類型的原子核具有高而寬的勢壘，因此原子核的一部分可能需要很長時間才能跳出勢壘之外；而其他類型的原子核則更容易發生衰變。如果我們只觀察一個單獨的原子，我們無法預測這種情況何時會發生；但通過觀察大量同種原子核的衰變，我們可以測量出隧穿發生的平均預期時間。描述這一現象的最常用方式是半衰期的概念——即樣本中一半的原子核發生衰變所需的時間。

物理學家早在近一個世紀前就已經知道，隧穿效應在某種特定類型的核衰變——α 衰變（alpha decay）中是必不可少的。在這種衰變過程中，原子核中的一小部分物質會突破勢壘，從核內「逃逸」出來，並出現在核的外部。

物理學家很快便開始思考：是否有可能研究同時涉及多個粒子的隧穿現象。探索這種新型實驗的一種方法來自某些材料在極低溫下所呈現出的特殊現象。

在普通的導電材料中，電流的流動是因為其中存在可以在整個材料中自由移動的電子。而在某些材料中，這些穿過導體的電子會變得有組織，它們彷彿在進行一種同步的「舞蹈」，能夠無阻礙地流動。此時，這種材料就成為了超導體。

在超導體中，電子成對結合在一起，這些電子對被稱為古柏對（Cooper pairs），以紀念利安·古柏（Leon Cooper）。他與約翰·巴丁（John Bardeen）和羅伯特·施里弗（Robert Schrieffer）共同提出了超導現象的詳細理論描述，並因此獲得了1972年盧保物理學獎。

古柏對的行為與普通電子完全不同。電子具有很強的「個體性」，它們傾向於彼此保持距離——如果兩個電子具有相同的性質，它們就不能處於同一個位置。這一點在原子中表現得很明顯：電子會分佈在不同的能級上，這些能級被稱為「電子層」。然而，當電子在超導體中結合成對時，它們失去了一部分個體特性；雖然兩個獨立的電子始終是可區分的，但兩個古柏對卻可以完全相同。這意味著，在超導體中，所有的古柏對可以作為一個整體來描述——它們構成了一個單一的量子力學系統。用量子力學的語言來說，這個系統可以由一個單獨的波函數來描述。該波函數給出了在某個特定狀態下觀察到該系統的概率分佈。

在普通導體中，電子彼此碰撞，同時也與材料發生相互作用。

當一種材料成為超導體時，電子會結合成對，形成古柏對，並產生無電阻的電流。圖示中的空隙標示的就是約瑟夫森結。

古柏對錶現得彷彿它們是一個充滿整個電路的單一粒子。量子力學使用共享的波函數來描述這一集體狀態，而該波函數的性質在獲獎者的實驗中起到了核心作用。

如果將兩個超導體連接起來，並在它們之間夾上一層薄薄的絕緣層，就會形成一個約瑟夫森結（Josephson junction）。這一元件以布萊恩·約瑟夫森（Brian Josephson）的名字命名——他曾對這種結進行了計算，併發現當考慮結兩側的波函數時，會出現一些非常有趣的現象。約瑟夫森因此獲得了1973年盧保物理學獎。約瑟夫森結很快就找到了廣泛的應用領域，包括對基本物理常數和磁場的精確測量等。

這一構造也為以新的方式探索量子物理學的基本原理提供了工具。安東尼·萊格特（Anthony Leggett， 2003年盧保物理學獎獲得者）就是其中一位，他關於約瑟夫森結宏觀量子隧穿的理論工作啟發了新型實驗。

研究小組開始工作

這些課題與約翰·克拉克（John Clarke）的研究興趣完美契合。他當時是美國加利福尼亞大學伯克利分校的教授，此前於1968年在英國劍橋大學獲得博士學位後前往伯克利任職。在伯克利，他組建了自己的研究團隊，專注於利用超導體和約瑟夫森結探索一系列物理現象。

到20世紀80年代中期，沙加度·德沃雷（Michel Devoret）在巴黎獲得博士學位後，加入了約翰·克拉克的研究組擔任博士後研究員。該小組還包括博士生約翰·馬迪尼斯（John Martinis）。他們共同迎接了一個挑戰——演示宏觀量子隧穿現象。為了使實驗裝置免受各種可能影響結果的干擾，他們在實驗設計與屏蔽上投入了極大的精力與精確性。最終，他們成功地改進並測量了電路的所有性質，從而能夠深入理解其工作機制。

為了觀測量子現象，他們向約瑟夫森結中輸入微弱電流，並測量與電路電阻相關的電壓。起初，約瑟夫森結兩端的電壓為零，這是符合預期的，因為系統的波函數被限制在一種不允許電壓出現的狀態中。隨後，他們研究了系統從這一狀態「隧穿」出去並產生電壓所需的時間。由於量子力學本身具有隨機性，他們進行了大量測量，並將結果繪製成圖表，從中可以讀取零電壓狀態持續的時間。這種方法與通過統計大量衰變事件來測定原子核半衰期的方式類似。

約翰·克拉克（John Clarke）、沙加度·德沃雷（Michel Devoret）和約翰·馬迪尼斯（John Martinis）構建了一個基於超導電路的實驗。承載該電路的芯片約有一釐米大小。此前，隧穿和能量量子化現象僅在包含少量粒子的系統中被研究過；而在這裏，這些現象出現在一個量子力學體系中——其中包含了充滿整個芯片超導體的數十億個古柏對。通過這種方式，這項實驗將量子力學效應從微觀尺度拓展到了宏觀尺度。

隧穿現象展示了實驗裝置中的古柏對在其同步「舞動」中如何表現得像一個巨大的單一粒子。當研究人員觀察到該系統具有量子化的能級時，他們獲得了進一步的確認。量子力學之名正是來源於這樣一個事實：微觀過程中的能量被分割成獨立的「能量包」，即量子。

獲獎者們向零電壓狀態下的系統注入了不同波長的微波，其中一部分被系統吸收，系統因此躍遷到更高的能級。這表明，當系統包含更多能量時，零電壓狀態持續的時間會更短——這與量子力學的預測完全一致。被困在勢壘之後的微觀粒子，其行為方式與此相同。

處在勢壘之後的量子力學系統可以具有不同數量的能量，但它只能吸收或釋放特定數量的能量。這樣的系統是量子化的。隧穿在較高能級時比在較低能級時更容易發生，因此，從統計上看，具有較高能量的系統被「困住」的時間比低能量系統更短。

理論和實用價值

本實驗對量子力學的理解具有深遠影響。以往在宏觀尺度上展現的其他量子力學效應，通常由大量微小個體單元及其獨立量子特性組合而成——這些微觀組分通過協同作用引發宏觀現象（如激光、超導體和超流體）。但本次實驗卻另闢蹊徑：它從一個本身即具有宏觀特性的量子態中，直接產生了可測量的宏觀電壓效應。

理論物理學家安東尼·萊格特（Anthony Leggett）等人認為，獲獎者們構建的宏觀量子系統就如同「薛定諤的貓」思想實驗。在該思想實驗中，若不打開盒子觀察，貓將同時處於生與死的疊加狀態。薛定諤提出這一實驗的本意是揭示量子力學在宏觀尺度表現出的荒誕性——因為量子特性通常在宏觀層面會消失。我們顯然無法在實驗室中演示整隻貓的量子特性。

但萊格特指出，約翰·克拉克、沙加度·德沃雷和約翰·馬田尼斯進行的一系列實驗表明，確實存在涉及大量粒子的宏觀現象，其集體行為完全符合量子力學預測。雖然由眾杜夫珀對組成的宏觀系統仍比一隻貓小若干數量級，但由於實驗測量的是系統整體表現的量子力學特性，在量子物理學家眼中，這幾乎可與薛定諤的想像之貓相提並論。

這類宏觀量子態為理解微觀粒子世界現象的實驗開闢了新前景。它可以被視作人造量子態的基礎構件——一種像樂高積木一樣的單元，能夠拚接組裝量子態，模擬其他量子系統，助力人類理解量子世界的奧秘。

此外由馬田尼斯實施的量子計算機實驗正是運用了這種技術的典型案例——他精準利用了與其他兩位獲獎者共同驗證的能量量子化現象。通過將具有量子化狀態的電路作為信息承載單元（即量子比特），他以最低能態和第一激發態分別代表「0」和「1」狀態。超導量子電路技術正是當前構建未來量子計算機的重要探索路徑之一。

由此可見，本年度的獲獎者們不僅為物理學實驗室帶來了實際應用價值，更為人類從理論層面理解物理世界提供了全新的認知維度。

參考來源：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/