撰文 / 涂彦平

编辑 / 张 南

设计 / 荆 芥

当地时间10月7日，2025年诺贝尔物理学奖揭晓，三位学者因“发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量子化”共同获奖。

约翰·克拉克（John Clarke），1942年出生于英国剑桥，1968年获英国剑桥大学博士学位，现任美国加州大学伯克利分校教授。

米歇尔·H·德沃雷特（Michel H. Devoret），1953年出生于法国巴黎，1982年获法国巴黎第十一大学博士学位，现任美国康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学和加州大学圣巴巴拉分校教授。

约翰·M·马丁尼斯（John M. Martinis），1958年生，1987年获美国加州大学伯克利分校博士学位，现为加州大学圣巴巴拉分校教授。

自左至右：约翰·克拉克（John Clarke），米歇尔·H·德沃雷特（Michel H. Devoret），约翰·M·马丁尼斯（John M. Martinis）

他们都是加州大学的教授，而此次获奖正是得益于他们1984至1985年间在加州大学伯克利分校共同进行的一系列实验。

也就是说，今年的诺贝尔物理奖其实是在表彰40年前的物理实验。

三位获奖者将平分1100万瑞典克朗（约合832万人民币，每人分得约277万人民币）。

物理学中的一个重大问题是：能够展现量子力学效应的系统最大尺寸是多少？

今年的诺贝尔奖得主们通过电路实验，在手掌大小的系统中同时实现了量子力学隧道效应和能量级的量子化。

他们的超导电路系统能实现从一种状态到另一种状态的量子隧穿，就像穿墙而过一样。

并且，该系统能以特定大小的份额吸收和释放能量，而这与量子力学的预测完全吻合。

诺贝尔物理学奖委员会主席奥勒·埃里克森（Olle Eriksson）表示：“能够见证百年量子力学持续带来新惊喜，实属美妙。它还具有巨大实用价值，因为量子力学是所有数字技术的基石。”

今年的诺贝尔物理学奖为量子密码学、量子计算机和量子传感器等下一代量子技术的发展提供了契机。

看上去高深莫测的量子力学，其实跟我们的日常生活息息相关。

比如，没有它，你现在根本刷不到这篇文章，因为手机芯片中的晶体管应用的便是成熟的量子技术。

01

40年前的伯克利实验

1900年12月14日，马克斯·普朗克（Max Planck）在柏林德国物理学会上，宣读他关于黑体辐射的论文。

在经典物理学里，能量应该是连续的。但普朗克提出光的能量是一份一份地发射出来的。他引入了能量的最小单位——量子（quantum）。量子力学由此诞生。

1905年，爱因斯坦比普朗克更进一步，提出了光量子的概念，认为光不但在发射的时候，在接收的时候也是一份一份的，光就是以量子的形式存在的。

量子力学描述了在涉及单个粒子的尺度上才显著的特性。在量子物理学中，这些现象被称为微观现象。当然，它们比用光学显微镜所能看到的要小得多。

这与宏观现象形成对比，后者由大量粒子组成。例如，一个日常的球是由天文数字般的分子组成的，并且不显示任何量子力学效应。

每次将球扔向墙壁，它都会弹回来。然而，单个粒子有时会直接穿过其微观世界中的等效势垒，出现在另一侧。这种量子力学现象被称为隧穿。

今年的诺贝尔物理学奖表彰了演示如何在涉及许多粒子的宏观尺度上观察到量子隧穿的实验。

在1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马丁尼斯在加州大学伯克利分校进行了一系列实验。

他们构建了一个包含两个超导体的电路，并用一层薄薄的、完全不导电的材料将它们隔开。这种结构被称为“约瑟夫森结”（Josephson junction）。

承载该电路的芯片大小约为一厘米。而以前，隧穿和能量量子化是在只有几个粒子的系统中研究的。

通过改进电路并测量其各项特性，他们得以控制并观测电流通过时所产生的物理现象。最终发现，在超导体中运动的带电粒子集合形成了一个特殊系统：其整体行为仿佛是一个填满整个电路的“单粒子”。

在实验中，系统通过隧穿效应逃离零电压状态并产生电压，显示了其量子特性。系统状态的改变通过电压的出现得以检测。

获奖者还证明了该系统表现出量子力学所预测的行为——它具有量子化特性，这意味着它只吸收或释放特定数量的能量。

通过这种方式，该实验将量子力学效应从微观尺度带到了宏观尺度。

02

前人研究成果

与相对论一起，量子物理学是现代物理学的基础，研究人员在过去的一个世纪里一直在探索其内涵。

单个粒子的隧穿能力是众所周知的。1928年，物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）意识到，隧穿是一些重原子核倾向于以特定方式衰变的原因。

原子核内力的相互作用在其周围形成了一个势垒，将其包含的粒子束缚在内。然而，尽管如此，原子核的一小部分有时会分裂出来，移动到势垒之外并逃逸——留下一个已转变为另一种元素的原子核。

没有隧穿，这种类型的核衰变就不可能发生。

隧穿是一个量子力学过程，这意味着机会在起作用。某些类型的原子核具有高而宽的势垒，因此原子核的一部分出现在其外部可能需要很长时间，而其他类型则更容易衰变。

如果我们只观察单个原子，我们无法预测这何时会发生，但通过观察大量同类型原子核的衰变，我们可以测量出隧穿发生前的预期时间。

描述这一点的最常见方式是通过半衰期的概念，即样本中一半原子核衰变所需的时间。

物理学家们很快就开始思考，是否有可能研究一种涉及不止一个粒子的隧穿。新型实验的一种方法源于某些材料在极冷时出现的现象。

在普通的导电材料中，电流流动是因为有电子可以在整个材料中自由移动。在某些材料中，单个电子在导体中穿行时可能会组织起来，形成一种同步的、无阻力流动的舞蹈。

该材料变成了超导体，电子成对结合在一起。这些被称为库珀对（Cooper pairs），以利昂·库珀（Leon Cooper）的名字命名。

他与约翰·巴丁（John Bardeen）和罗伯特·施里弗（Robert Schrieffer）合作提出低温超导理论，被共同授予1972年诺贝尔物理学奖。

库珀对的行为与普通电子完全不同。电子具有很大的独立性，并且喜欢彼此保持距离——如果两个电子具有相同的属性，它们就不能处于同一位置。

然而，当超导体中的电子结成对时，它们就失去了一些个性；虽然两个独立的电子总是不同的，但两个库珀对可以完全相同。

这意味着超导体中的库珀对可以被描述为一个单一的单元，一个量子力学系统。用量子力学的语言来说，它们被描述为一个单一的波函数。这个波函数描述了在给定状态下观察到具有给定属性的系统的概率。

如果将两个超导体用一层薄的绝缘势垒连接在一起，就形成了一个约瑟夫森结。这个元件以布赖恩·约瑟夫森（Brian Josephson）的名字命名，他对该结进行了量子力学计算。

他发现，当考虑结两侧的波函数时，会出现有趣的现象（1973年诺贝尔物理学奖）。约瑟夫森结迅速找到了应用领域，包括精确测量基本物理常数和磁场。

这种结构也为以新方式探索量子物理学的基础提供了工具。安东尼·莱格特（Anthony Leggett，2003年诺贝尔物理学奖）就是这样一个人，他在约瑟夫森结处关于宏观量子隧穿的理论工作启发了新型实验。

03

研究接力

约翰·克拉克是美国加州大学伯克利分校的教授，他于1968年在英国剑桥大学获得博士学位后搬到了那里。在加州大学伯克利分校，他建立了自己的研究小组，并专注于利用超导体和约瑟夫森结探索一系列现象。

到20世纪80年代中期，米歇尔·H·德沃雷特在巴黎获得博士学位后，以博士后身份加入了约翰·克拉克的研究小组。这个小组还包括博士生约翰·马丁尼斯。

他们一起接受了演示宏观量子隧穿的挑战。这需要极大的细心和精确度来屏蔽实验装置免受所有可能影响它的干扰。他们成功地精确定义并测量了电路的所有特性，使他们能够详细地理解它。

为了测量量子现象，他们向约瑟夫森结输入弱电流并测量电压，电压与电路中的电阻有关。约瑟夫森结上的电压最初为零，正如预期的那样。这是因为系统的波函数被限制在一种不允许产生电压的状态中。

然后他们研究了系统通过隧穿脱离这种状态并产生电压需要多长时间。

因为量子力学包含机会因素，他们进行了大量测量，并将结果绘制成图表，从中可以读出零电压状态的持续时间。这类似于如何基于大量衰变实例的统计数据来测量原子核的半衰期。

隧穿现象展示了实验装置中的库珀对在其同步舞蹈中，如何表现得像一个单一的巨型粒子。

当研究人员看到系统具有量子化的能级时，他们进一步确认了这一点。量子力学得名于观察到微观过程中的能量被分成独立的包，即量子。

获奖者向零电压状态引入不同波长的微波。其中一些被吸收，然后系统移动到更高的能级。

这表明，当系统包含更多能量时，零电压状态的持续时间更短——这正是量子力学所预测的。一个被关在势垒后面的微观粒子的行为方式相同。

势垒后的量子力学系统可以拥有不同数量的能量，但它只能吸收或发射特定数量的能量。系统是量子化的。

在较高能级比较低能级更容易发生隧穿，因此，从统计上讲，具有更多能量的系统被捕获的时间少于能量较少的系统。

04

类似“薛定谔的猫”

这个实验对理解量子力学具有深远影响。

在宏观尺度上展示的其他类型的量子力学效应是由许多微小的独立部分及其各自的量子特性组成的。然后这些微观组件结合起来引起宏观现象，如激光、超导体和超流体。

然而，这个实验却从一个本身是宏观的状态——表现为大量粒子的共同波函数——产生了一个宏观效应，即可测量的电压。

2003年诺贝尔物理学奖得主安东尼·莱格特（Anthony Leggett）将获奖者的宏观量子系统与埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）著名的思想实验“盒子里的猫”进行了比较。

薛定谔获得了1933年诺贝尔物理学奖。他的思想实验的目的是展示这种情况的荒谬性，因为量子力学的特殊特性在宏观尺度上通常会被抹去。一整只猫的量子特性无法在实验室实验中演示。

然而，莱格特认为，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马丁尼斯进行的一系列实验表明，存在一些涉及大量粒子的现象，这些粒子共同行为，正如量子力学所预测的那样。

由许多库珀对组成的宏观系统仍然比一只小猫小许多数量级——但由于实验测量的是适用于整个系统的量子力学特性，对于量子物理学家来说，它相当类似于薛定谔想象中的猫。

这种类型的宏观量子态为利用支配粒子微观世界的现象进行实验提供了新的潜力。

它可以被视为一种大规模的人造原子——一种带有电缆和插座的原子，可以连接到新的测试装置中或用于新的量子技术。

例如，人造原子被用来模拟其他量子系统并帮助理解它们。

另一个例子是马丁尼斯后来进行的量子计算机实验，其中他正好利用了他与其他两位获奖者所演示的能量量子化。

他使用具有量子化状态的电路作为信息承载单元——一个量子比特。最低能级和第一个上升的能级分别充当0和1。超导电路是尝试构建未来量子计算机所探索的技术之一。

诺贝尔奖官网文章写到：“今年的获奖者为物理学实验室的实际应用，以及为我们物理世界的理论理解提供新信息都作出了贡献。”（文章参考诺贝尔奖官网）