超導量子計算拿下物理學獎，日本人和華人科學家錯失，諾貝爾獎的風向轉了嗎？

瑞典皇家科學院10月7日宣布，將2025年諾貝爾物理學獎授予約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特和約翰·馬丁尼斯，以表彰他們在電路中發現了宏觀量子力學隧穿效應和能量量子化。

今年是量子力學理論體系創立100周年，被聯合國定為「國際量子科技年」，這很可能影響了瑞典皇家科學院的授獎領域。在人才輩出的量子力學領域，諾貝爾物理學獎委員會為什麼選擇了這三位美國加州大學教授？記者採訪了復旦大學物理學系教授李曉鵬、上海交大李政道研究所凝聚態物理研究部助理研究員應江華。

瑞典皇家科學院7日宣布，三名科學家因在量子力學領域的貢獻獲2025年諾貝爾物理學獎。    新華社記者 彭子洋 攝

為超導量子比特奠定基礎

「每個學過中學物理的人對電路都不會陌生，這屬於經典電學。而如果我們把超導器件做得足夠小，就會發生經典電學無法解釋的量子效應。」從事量子計算研究的李曉鵬教授告訴記者。

1984—1985年，克拉克、德沃雷特和馬丁尼斯利用由超導體構成的電路開展了一系列實驗。超導體是一種能夠在無電阻情況下傳導電流的元件。在電路中，超導元件被一層薄薄的非導電材料隔開，這種裝置被稱為「約瑟夫森結」。通過改進和測量電路的各種特性，三位科學家能夠控制和探索電流通過時產生的特殊現象。

他們觀測到了能量量子化現象。「在經典電學中，能量是連續的。而在有量子效應的電路中，能量是離散的，這就是能量量子化。」李曉鵬解釋，量子化能級是量子力學的一個基礎概念。一個物理量如果不能連續變化，只能取一些分立的值，我們就說這個量是量子化的。好比上台階，只能上一個台階，而不能上半個。宏觀世界裏的物理量似乎都能連續變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的。如氫原子中電子的能量只能取一個基本值——-13.6電子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2倍或1/2、1/3。

他們還觀測到了量子隧穿效應。這種效應指的是電子等微觀粒子能夠穿入或穿越「勢壘」的量子行為，儘管「勢壘」的高度大於粒子的總能量。在經典力學裏，這是不可能發生的事情。而在量子世界中，微觀粒子能突破「不可能翻越的能量牆」，以概率形式「穿牆而過」。

這些重要的科學發現，為日後科學家研製出超導量子比特奠定了基礎。超導量子比特，是超導量子計算機的基本計算單元。目前，全球最高水平的超導量子計算機是「祖沖之三號」。它由中國科學院院士潘建偉團隊研製，集成了105個量子比特，在處理量子隨機線路採樣問題時，比最快的超級計算機快15個數量級。

這是10月7日在瑞典斯德哥爾摩拍攝的2025年諾貝爾物理學獎公布現場。    新華社記者 彭子洋 攝

日本和華人科學家錯失諾獎

諾獎作為科學界最高的學術榮譽，向來只獎「從0到1」的原始創新；但眾所周知，世界上第一個超導量子比特，出自日本科學家中村泰信和華人科學家蔡兆申的合作實驗成果。

因此，此次物理學獎一出，令一些業內人士有些意外。應江華告訴記者，這次3位獲獎者，尤其是最後一位馬丁尼斯，可以說是在超導量子計算領域「從1到99」的進程中取得顯著成就。「從實驗轉向工程，從科研轉嚮應用，這是不是諾貝爾獎的『風向』有所改變？」

中村泰信，日本理化學研究所量子計算中心。

作為超導量子計算的基本單位，第一個超導量子比特於1999年誕生在日本的實驗室里，不過當時也只有1個量子比特，其壽命只有納秒量級。應江華說，「超導量子計算的天量算力，是隨量子比特數量增加，呈現指數級增長的。」然而，特別「燒錢」的量子計算，不能停留在實驗室。

在此基礎上，馬丁尼斯這位工程化的「推手」，帶領團隊與谷歌公司合作，做出超過50個超導量子比特，首次驗證了超導量子計算的「量子優越性」，從實驗層面證實了超導量子計算在特定問題上具備經典計算無法企及的算力優勢。儘管馬丁尼斯後續從谷歌離職，但始終深耕量子計算領域，且更注重技術商業化轉化。這表明，諾獎開始更多關注那些在實際科學成果轉化、技術應用落地中發揮核心作用的研究者。

米歇爾·h·德沃雷，美國耶魯大學、美國加利福尼亞大學。

至於第二位獲獎者德沃雷特，其核心貢獻正契合諾貝爾委員會的頒獎詞——「因在超導電路中發現宏觀量子力學隧穿效應與能量量子化現象」，這一發現為固態量子信息科學奠定了關鍵實驗基礎。

這為解決超導量子比特的核心瓶頸——相干時間（即量子比特「存儲量子信息的壽命」）提供了關鍵技術路徑。科普地講，正因為有它，量子比特的「壽命」從轉瞬即逝的納秒級別，提升到毫秒級別。利用量子電動力學原理實現對量子比特量子態的高效操控、高保真度讀取與低噪聲隔離，成為當前主流超導量子計算平台（如 ibm、谷歌量子處理器、祖沖之號等）的技術基石。

約翰·克拉克，美國加利福尼亞大學。

應江華說，「作為今年物理學獎的第一位得主，克拉克是德沃雷特和馬丁尼斯的導師，相關的宏觀量子效應和電路量子化等研究為超導量子計算鋪平了道路。」克拉克在超導和超導電子學方面作出了重大貢獻，特別是在超導量子干涉裝置，即一種超靈敏的磁通量探測器的開發和應用方面。這同樣表明，諾貝爾物理學獎高度重視科學成果的轉化與應用。

值得一提的是，由中國企業家捐資億元設立的2021年度「墨子量子獎」曾授予3位科學家，以表彰他們在開創超導量子電路和量子比特方面的領導作用，分別是克拉克、德沃雷特、中村泰信。這一次，前兩位科學家均獲諾獎，唯獨中村泰信與之錯失。