瑞典皇家科學院7日宣布，將2025年諾貝爾物理學獎授予約翰·克拉克、米歇爾·h·德沃雷和約翰·m·馬丁尼斯，以表彰他們“在電路中發現宏觀量子力學隧穿和能量量子化”。
物理學中的一個主要問題是，能夠展示量子力學效應的系統最大可以達到什麼尺度。今年的諾貝爾獎獲得者用一個電路進行了實驗，他們在一個足以用手握住的系統中，同時演示了量子力學隧穿效應和能量量子化。
量子力學允許粒子通過一種稱為隧穿的過程直接穿過勢壘。一旦涉及大量粒子，量子力學效應通常會變得微不足道。獲獎者們的實驗證明，量子力學特性可以在宏觀尺度上具體呈現。
在1984至1985年間，約翰·克拉克、米歇爾·h·德沃雷和約翰·m·馬丁尼斯使用由超導體（一種可以無電阻傳導電流的元件）構建的電子電路進行了一系列實驗。在電路中，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。通過精確定義和測量其電路的各種特性，他們能夠控制並探索當電流通過時產生的現象。在超導體中移動的帶電粒子共同構成了一個系統，其行為就像遍布整個電路的單個粒子。
這個宏觀粒子般的系統最初處於一種有電流但無電壓的狀態。系統被束縛在這個狀態中，就像被困在一個無法跨越的勢壘之後。在實驗中，該系統通過隧穿效應成功脫離零電壓狀態，從而展示了其量子特性。系統狀態的改變通過電壓的出現而被檢測到。
獲獎者們還證明了該系統的行為遵循量子力學的預測——它是量子化的，這意味着它只能吸收或發射特定數量的能量。
“能夠見證有百年歷史的量子力學不斷帶來新的驚喜，真是太棒了。它也極為有用，因為量子力學是所有數字技術的基礎。”諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃里克松說。
計算機微芯片中的晶體管是我們身邊成熟的量子技術的一個例子。今年的諾貝爾物理學獎為開發下一代量子技術提供了機遇，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器。
來源：新民晚報 作者：郜陽
