2025年，是海森堡與波恩、約當建立量子力學100周年。
北京時間7日傍晚，2025年諾貝爾物理學獎揭曉。約翰·克拉克、米歇爾·h·德沃雷、約翰·m·馬丁尼斯因“發現宏觀量子力學隧穿和電路中的能量量子化”而獲獎。
顯然，今年的諾貝爾物理學獎，是對量子力學百年的重要致敬。在知曉自己斬獲諾獎後，克拉克非常震驚，他說，量子領域有大量的發現等着去發掘，有很多辦法可以做出很好的發現。
今年物理學獎授予約翰·克拉克、米歇爾·h·德沃雷、約翰·m·馬丁尼斯，以表彰他們發現電路中的宏觀量子力學隧穿效應和能量量子化
當量子世界來到宏觀尺度
今年，中科大上海研究院維爾切克量子中心副主任施郁教授在其公眾號“物理文化與施郁世界線”中預測時，就直言“超導電路的量子力學”領域極有可能獲獎——果不其然！施教授說，這個領域發展的最初驅動是為了得到宏觀可區分態的量子相干，拓展量子力學適用範圍，尋找量子力學的邊界。
施郁教授成功預測今年諾貝爾物理學獎
克拉克、德沃雷和馬丁尼斯三位科學家正是在“如何讓宏觀系統展示量子特性”這一核心問題上實現了里程碑式的突破。他們的研究基於超導約瑟夫森結，使超導電子對（庫珀對）能夠以量子隧穿的形式穿過勢壘，從而形成量子相位變量。
通過精密設計與極低溫實驗，他們首次在宏觀超導電路中直接觀測到了“宏觀量子隧穿”和“能級量子化”。
© johan jarnestad/the royal swedish academy of sciences
“宏觀量子隧穿”，這屬於經典的“每個字都認識，連在一起看不懂”。中國科學院上海微系統與信息技術研究所副所長、上海市超導集成電路技術重點實驗室主任尤立星打了個比方：嶗山道士。
“我們都知道，人面對一堵牆，不可能穿牆而過；但在量子世界中，粒子卻能有特定概率做到這一點，這就是‘量子隧穿’。三位科學家通過實驗首次展示，在人造的宏觀超導體系中能夠觀察到‘量子隧穿’效應，這就是被稱為‘宏觀量子隧穿’的原因。”尤立星解釋。
至於“能量量子化”，專家表示，可以理解為超導電路體系的能量不是連續變化的，而是分成一個個“台階”，只能按特定的份額吸收或釋放能量。不同能級之間的量子隧穿，就構成了量子計算的基礎。
量子計算研究都來自他們的思路
尤立星擔任國家超導標準化技術委員會副主任委員，主要開展超導電子技術研究。他告訴新民晚報記者，從三位科學家的工作出發，量子力學從實驗室的微觀觀測走向了可控、可擴展的宏觀超導量子電路，推動了包括量子計算、量子傳感等整個量子科技產業的發展。
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“三位科學家在上世紀80年代搭建的電路由兩塊超導體組成，中間夾着一層極薄的絕緣層，這種結構被稱為約瑟夫森結。”專家介紹。在超導體中，電子成對“結伴而行”，形成所謂的庫珀對，這些電子共同流動、沒有阻力——於是，在宏觀約瑟夫森結體系中，觀測到無數庫珀對的集體隧道效應，展示了量子世界的特性。
克拉克等人向電路中輸入微弱電流，並測量電壓變化。在沒有量子效應時，電壓應當始終為零，然而他們發現，電壓會突然跳動，好像系統“穿過了”一個無形的能量屏障；更絕的是，能量不是流動，而是“跳躍”。
這項實驗震撼了整個物理界——長期以來，人們認為量子現象只存在於微觀層面，而宏觀世界會因環境擾動而“去量子化”。
新民晚報記者了解到，後來，約翰·馬丁尼斯將具有量子化能級的超導電路，用作信息單元，也就是量子比特。在量子計算機中，一個比特既能是“0”，也能是“1”，還能同時處於“0與1”的疊加態——這正是克拉克、德沃雷與馬丁尼斯早年實驗所揭示的物理特性。如今，全球領先的量子計算研究都直接受益於他們開創的思路。
量子技術已經規模運用
值得一提的是，約翰·克拉克、米歇爾·h·德沃雷曾經與東京大學先端科學技術研究中心教授、日本理化學研究所量子計算中心主任中村泰信共同獲得2021年度“墨子量子獎”，獲獎理由是表彰他們作為領軍人物開創了超導量子電路和量子比特中一系列早期關鍵技術。
“現在，量子技術已經大規模運用了——即使它們沒有以量子的名義出現。”尤立星說，“計算機微芯片中的晶體管、激光器等都是環繞在我們身邊、已成熟應用的量子技術。不過，老百姓看到的所謂和‘民生’掛鈎的‘量子’產品，基本上屬於炒作。量子信息技術真正規模運用於面向普通大眾的應用，還需要時間，還需要量子科學家們持續的努力。”
其實，當尤立星得知今年諾獎物理學獎頒發給量子科技領域，他還是有些意外的——畢竟，2022年諾貝爾物理學獎才授予在量子糾纏實驗和量子信息科學中作出奠基性工作的三位科學家，“或許，這說明量子技術的重要性，以及大家對量子工程時代的禮讚吧！”
正如數位科研人員所感慨的那樣，從驗證一個曾被視作悖論的設想，到開闢一個全新的量子工程領域，2025年諾貝爾物理學獎標誌着一個重要的轉折：量子力學已不再只是“微觀的魔法”！
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