瑞典皇家科學(xué)院于北京時(shí)間2025年10月7日宣布，將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret）與約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們“在電路中實(shí)現(xiàn)宏觀量子隧穿與能級(jí)量子化（for the discovery of macroscopic quantum mechanical tunnelling and energy quantisation in an electric circuit）”的杰出貢獻(xiàn)。

這項(xiàng)工作奠定了現(xiàn)代超導(dǎo)量子電路（superconducting quantum circuits）的基礎(chǔ)，是量子計(jì)算與量子信息技術(shù)能夠在工程尺度上實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步。

在量子力學(xué)誕生的百余年里，人們習(xí)慣于在原子、電子或光子等微觀系統(tǒng)中觀測(cè)量子現(xiàn)象。而在更大尺度的體系中，如電路元件、機(jī)械振子或磁通環(huán)路，量子特性通常會(huì)被環(huán)境噪聲迅速“抹去”，導(dǎo)致系統(tǒng)表現(xiàn)為經(jīng)典行為。

克拉克、德沃雷和馬丁尼斯三位科學(xué)家正是在“如何讓宏觀系統(tǒng)保持量子特性”這一核心問題上實(shí)現(xiàn)了里程碑式的突破。他們的研究基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)（Josephson junction），即在兩塊超導(dǎo)體之間夾入一層極薄的絕緣層，使超導(dǎo)電子對(duì)（庫珀對(duì)）能夠以量子隧穿的形式穿過勢(shì)壘，從而形成量子相位變量。

通過精密設(shè)計(jì)與極低溫實(shí)驗(yàn)（接近絕對(duì)零度），他們首次在宏觀電路中直接觀測(cè)到了：

? 宏觀量子隧穿（Macroscopic Quantum Tunnelling）：整個(gè)電路的相位或電流狀態(tài)能夠“穿越”經(jīng)典勢(shì)壘，從一個(gè)穩(wěn)定態(tài)量子隧穿到另一個(gè)穩(wěn)定態(tài)，表明量子疊加與隧穿并非僅屬于微觀世界。[1]

? 能級(jí)量子化（Energy Level Quantisation）：當(dāng)電路的“相位粒子”在勢(shì)阱中振蕩時(shí)，所具有的能量不是連續(xù)的，而是離散的量子能級(jí)結(jié)構(gòu)，與原子中電子能級(jí)類似。[2]

這些成果不僅證明了量子力學(xué)適用于宏觀體系，也為人類提供了一種可工程化的“人造原子”平臺(tái)，使量子態(tài)的設(shè)計(jì)、操控和測(cè)量成為可能。他們的研究為后續(xù)的超導(dǎo)量子比特（superconducting qubit）奠定了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。如今，被廣泛使用的transmon、flux qubit、phase qubit等架構(gòu)，均可追溯至他們關(guān)于能級(jí)量子化與宏觀隧穿的原始實(shí)驗(yàn)思想。

2025年的諾貝爾物理學(xué)，不僅是對(duì)這三位科學(xué)家個(gè)人貢獻(xiàn)的肯定，更是對(duì)量子工程時(shí)代的禮贊。從他們的工作出發(fā)，量子力學(xué)從實(shí)驗(yàn)室的微觀觀測(cè)走向了可控、可擴(kuò)展的宏觀裝置，推動(dòng)了包括量子計(jì)算、量子傳感與量子通信在內(nèi)的整個(gè)量子科技產(chǎn)業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1] Devoret, M. H., Martinis, J. M., & Clarke, J. (1985). Measurements of macroscopic quantum tunneling out of the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction. Physical review letters, 55(18), 1908.

[2] Martinis, J. M., Devoret, M. H., & Clarke, J. (1985). Energy-level quantization in the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction. Physical review letters, 55(15), 1543.