約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯。圖/諾貝爾獎委員會官網
在量子力學誕生百年之際，2025年10月7日，瑞典皇家科學院宣布，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·馬蒂尼斯三名量子物理學家，以表彰他們在電路中實現宏觀量子力學隧穿效應和能量量子化方面的貢獻。
量子力學在1925年誕生，今年正值百年。諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃里克松當天表示，百年來量子力學不斷帶來新的驚喜，它大有用處，為數字技術提供了基礎。
電路中的宏觀量子力學隧道效應和能量量子化是什麼東西，有什麼用，相信很多人仍不知就裡，甚至滿頭霧水。
按照頒獎者的解釋，今年的諾貝爾獎獲得者在芯片上的實驗揭示了量子物理學的實際應用，他們展示了量子力學隧道效應和量子能級可以操控於掌中。
發現微觀粒子具有「穿牆術」
簡單地看，電路中的宏觀量子隧道（隧穿）效應是指宏觀物體（如超微顆粒的磁矩或磁通量）表現出穿過能量勢壘的量子行為。這種效應在納米尺度下比較顯著，限制了微電子器件的微型化和信息存儲設備的信息保存時間。
因此，量子隧道效應，就是指電子等微觀粒子能夠穿越經典物理學認為不可逾越的能量勢壘的神奇特性。這種現象可以通俗地解釋為「穿牆術」，在現實的物理世界上是無法實現的，因為電子本來不具備足夠能量克服勢壘，就如同人不能穿牆而過一樣。但在量子世界，電子有一定概率以波的形式穿越勢壘，就像挖了一條隧道一樣。
能量量子化是量子理論的核心概念之一，由普朗克在研究黑體輻射時提出，指的是，微觀系統中能量的變化是以不連續的、離散的最小單位，即量子的形式進行。
就像樓梯的台階一樣，能量只能存在於特定的能級（能量值）上，而不能存在於台階之間的任意高度。這與經典力學中能量可以連續變化的觀念不同。
能量量子化的基本要義是，能量是以最小的基本單位——量子——來傳遞的。能量的吸收或釋放必須是這些能量子的整數倍。
量子力學允許粒子使用被稱為隧道效應的過程直接穿過屏障。一旦涉及大量粒子，量子力學效應通常就會變得微不足道。今年獲獎者的貢獻就在於，通過實驗表明，量子力學特性可以在宏觀尺度上具體化。
獲獎者另一個重要貢獻是，過去認為，宏觀的粒子狀系統最初處於電流流動而沒有任何電壓的狀態。系統被困在這種狀態中，彷彿再無法跨越障礙。通過實驗，研究者發現，該系統通過隧道效應設法擺脫零電壓狀態，展示了量子特性。而系統的變化狀態是通過電壓的出現來檢測的。
同時，獲獎者還證明該系統的模式是量子化的，這意味着宏觀的粒子狀系統只吸收或發射特定量的能量。
讓微波通信成為可能
宏觀量子力學隧道效應和能量量子化在生活和工作中的實際意義在於，它們可應用於半導體設備，如隧道二極管和超導量子干涉器中等。
同時，量子隧道效應和能量量子化不僅是半導體（智能手機、計算機等電子設備的核心部件）的工作原理，也是太陽核聚變產生光與能量的核心機制，並且為半導體、量子計算機、微波通信等未來的技術發展提供關鍵的理論支撐。
隧道二極管的應用就利用了宏觀量子力學隧道效應和能量量子化原理，未來大有前景。隧道二極管，是一種具有負微分電阻特性的半導體器件，目前在生活中，不如整流二極管、發光二極管等常見，但在高速電子設備中具有重要應用，如在射頻 (RF) 振蕩器、高頻開關和變頻器中等，都有應用。
而且，隧道二極管在微波通信、雷達系統以及其他高速電子儀器中，也有極為重要的作用，是實現高頻信號生成和處理的重要元件。其應用於微波通信，可能是未來生活的另一個發展方向，正如今天的光纖通信一樣。
而早在1966年，華裔科學家高錕便發表了題為《光頻率介質纖維表面波導》的論文，開創性地提出光導纖維在通信上應用的基本原理，描述了長途及高信息量光通信所需介質纖維的結構和材料特性。
之後的20世紀70年代，隨着半導體激光器和微處理器的出現，光纖技術取得了關鍵突破，光纖通信快速發展，20世紀80年代光纖通信開始廣泛應用於電信行業。今天，我們所有人使用的寬帶就是光纖通信成果的應用。為此，高錕與其他兩位科學家獲得2009年諾貝爾物理學獎。
而現在的宏觀量子力學隧道效應和能量量子化，則可能超越光纖通信，發展到微波通信。這是一種綜合技術，是將信號以頻率在0.3GHz至300GHz的微波作為載體進行通信信號傳輸。其憑藉的理論就是宏觀量子力學隧道效應和能量量子化。一旦理論突破並轉化到技術，便可以提供更好更快的無線寬帶，還可以作為手機、電視、通信衛星的有效信號傳遞。
研究成果將開創未來生活
量子力學隧道效應，在太陽核聚變中同樣作用巨大。
太陽通過核聚變產生的能量會以光子和粒子的形式從太陽的核心向外傳輸，經過太陽的多個層次後，最終以陽光和微粒動能的形式脫離太陽。太陽核聚變，可以維持地球上包括人在內的所有生命活動，為地球提供光和熱，而且太陽核聚變也是永恆而強大的能量源。
太陽核聚變正是要利用量子力學的隧道效應實現，這種效應允許像質子這樣的粒子「穿過」能量壁壘。
這個過程不僅使得太陽在相對低的溫度下能夠發生核聚變，而且其發生的頻率限制了聚變的速率，從而保證太陽能夠維持數十億年的壽命。
今年諾貝爾物理學獎表彰的宏觀量子力學隧道效應和能量量子化研究的重要成果，將開創人類未來的生活。儘管目前看起來還比較遙遠，但在半導體、量子計算機、微波通信、手機等方面的應用，我們已經看見了曙光。
撰稿 / 張田勘（科普作家）
編輯 / 遲道華
校對 / 付春愔
