他们开启了量子技术走向普惠的新时代| 2025诺贝尔物理学奖揭晓

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2025年10月7日，诺贝尔物理学奖授予三位在量子力学领域作出卓越贡献的科学家：约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和约翰·M·马丁尼斯（John M. Martinis）。
一个展现出量子力学效应的系统，其尺寸最大能大到多少？达得到肉眼可见的规模吗？这是量子物理学界探索的重大课题之一。今年的三位获奖人在一块1厘米见方的芯片上进行超导电路实验，揭示了宏观尺度系统中的量子力学隧穿效应和能量量子化现象。
他们的研究成果为发展下一代量子技术，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器等，提供了无限可能。

当你把网球砸向墙壁，它一定会弹回来——这是宏观世界里再正常不过的常识。但在微观的量子世界，粒子却能像变魔术般直接“穿过”墙壁，这种现象被称为“量子隧穿”。长久以来，物理学家都认为这种“魔法”只属于微小的粒子，一旦涉及大量粒子组成的宏观物体，量子效应就会消失。
然而，2025年诺贝尔物理学奖揭晓，三位美国科学家——加州大学伯克利分校的约翰・克拉克、耶鲁大学与加州大学圣塔芭芭拉分校的麦克・H・德沃雷特、加州大学圣塔芭芭拉分校的约翰・M・马丁尼斯，用一个手能握住的电路装置，打破了这个认知边界。他们因“发现电路中的宏观量子隧穿与能量量子化现象”获此殊荣，让量子世界的怪异法则第一次清晰地呈现在宏观尺度上。

量子世界的“反常识”法则

要理解这项获奖成果，我们得先摸清量子世界的两个核心“规矩”，它们和我们日常认知截然不同。
其一，量子隧穿：粒子的“穿墙术”
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在生活中，只要墙壁足够高，没有足够能量的人就爬不过去。但量子世界的粒子不一样，即使能量不足，它们也有一定概率直接“穿过”障碍，就像在墙上凭空开出了一条隧道。这种现象并非理论幻想，1928年物理学家乔治・伽莫夫（George Gamow）就发现，某些原子核的衰变正是源于粒子的隧穿效应——原子核内的粒子能突破核力屏障逃逸出来，变成另一种元素的原子核。
不过，隧穿效应此前只在单个粒子上被观测到，大量粒子组成的宏观物体从未表现出这种特性。毕竟没人见过网球能穿过墙壁，更别说一只猫了。
其二，能量量子化：能量的“阶梯式”传递
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量子世界的能量不是连续流动的，而是像阶梯一样分成一个个独立的“能量包”（即“量子”）。就像你上楼梯只能一级级走，粒子吸收或释放能量也只能按固定的“能量级”进行，不能停在两级之间。我们身边的晶体管、激光器等技术，本质上都利用了微观世界的能量量子化特性。


如果没有能级量子化，固体中电子的能量是连续的，就不会产生半导体中能带、禁带的概念和性质，更谈不上晶体管等半导体器件的发展；如果能级是连续的，也不存在“E₂-E₁”的固定能量差，无法触发定向的受激辐射，激光器则无法实现。

获奖实验：让亿万个粒子“同步跳一支舞”

三位获奖者所发现突破的关键在于，他们创造了一个能让亿万个粒子“集体听话”的特殊电路，把微观量子效应放大到了可触摸的尺度。
超导体与约瑟夫森结
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实验的核心是两种关键技术。
第一种是超导体——某些材料在极低温下会失去电阻，电流能毫无损耗地流动。这时材料中的电子会两两配对形成“库珀对”[以1972年诺贝尔物理学奖得主莱昂・库珀（Leon Cooper）命名，他与约翰·巴丁（John Bardeen）、罗伯特・施里弗（Robert Schrieffer）共同解释了超导原理]，就像跳双人舞的搭档，原本各自独立的电子突然变得步调一致。

通常，宏观经典世界由微观量子物质构成，由于大量粒子的热涨落会将量子效应平均化，因此在宏观尺度上通常无法观测到量子效应。但对于超导体而言，其在低温下的热涨落极小，且所有库珀对会形成宏观波函数，因此我们能在由超导体构成的电路中观测到量子能级。
第二种是约瑟夫森结——把两个超导体用一层极薄的绝缘材料隔开，就像在两个“电子舞池”之间加了一道薄墙。这种结构由物理学家布莱恩・约瑟夫森（Brian Josephson）发现（他因此获1973年诺贝尔物理学奖），能精准探测量子现象，早已用于测量基本物理常数和磁场。
普通超导线路构建的线性能级梯中，各能级间距相等，控制能级时，我们无法确保电路仅发生从“0”到“1”的跃迁，而不出现从“1”到“2”的跃迁。通过约瑟夫森结可以构建非线性振荡器，其能级间距随能量变化而改变（非均匀），可避免经典控制时对无关能级跃迁的干扰，因此成为构建实用量子计算电路的重要组件。
宏观量子隧穿的诞生
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1984~1985年，克拉克、德沃雷特和马丁尼斯在加州大学伯克利分校的实验室里，用这些材料搭建了一个特殊电路。他们把电路冷却到极低温度，这时神奇的事情发生了：电路里的所有库珀对仿佛融合成了一个“巨人粒子”，整个电路变成了一个统一的量子系统，而不是无数独立粒子的集合。
这个“巨人粒子”一开始被困在“零电压状态”——电流顺畅流动却没有电压产生，就像被关在一个能量牢笼里。从经典物理角度看，它没有足够能量突破牢笼，但量子隧穿效应让它实现了“越狱”：突然有一天，电路里凭空出现了电压，说明这个宏观系统通过隧穿效应逃出了零电压状态。
为了证实这不是偶然，他们像测量原子核半衰期那样做了大量统计：虽然无法预测单个电路隧穿的时间，但观察大量相同电路后，能清晰算出零电压状态的平均持续时间，完美符合量子力学的预测。
更关键的是，他们还观测到了能量量子化的宏观表现：向电路注入不同波长的微波时，只有特定波长的微波会被吸收，让系统跳到更高的能量级，就像宏观系统在“爬能量阶梯”。这直接证明，这个手能握住的电路确实在遵循量子法则运行。

连接量子理论与现实世界的桥梁

这项40年前的实验，直到今天才获诺贝尔奖，恰恰因为它解决了物理学界一个百年难题：量子力学的适用边界到底在哪里？
给“薛定谔的猫”一个现实答案
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物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger，1933年诺贝尔物理学奖得主）曾提出一个著名思想实验：如果一只猫被关在含量子装置的盒子里，根据量子力学，猫会处于“既死又活”的叠加态，直到被观察才确定状态。这个实验原本是为了凸显量子效应在宏观世界的“荒谬性”——毕竟现实中不会有这种猫。
但三位获奖者的实验给出了新答案：他们的电路系统由亿万个粒子组成，已经属于宏观范畴，却能表现出纯粹的量子特性。正如诺贝尔物理学奖得主安东尼·莱格特（Anthony Leggett，2003年获奖）所言，这个系统虽然比猫小得多，但本质上是“薛定谔的猫”的现实版，证明量子法则并非微观世界的“专属特权”。
量子技术的“奠基石”：从理论到应用
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这项发现更为下一代量子技术铺平了道路。马丁尼斯后来就利用实验中发现的能量量子化特性，开发了超导量子比特——把电路的不同能量级当作0和1，用来存储量子信息。
如今超导电路已是量子计算机最有前景的技术路线之一，而量子加密、超高精度量子传感器等前沿领域，也都得益于这种“宏观量子系统”的研究。
诺贝尔物理学奖委员会主席奥勒·埃里克森（Olle Eriksson）指出：“百年历史的量子力学仍在不断带来惊喜，它不仅是所有数字技术的基础，更在孕育下一代科技革命。”

量子世界离我们越来越近

回溯近些年诺贝尔物理学奖，量子领域的突破性成果屡获认可：2012 年，奖项授予在离子阱系统和里德堡原子系统中实现量子态操控的研究；2022 年，表彰了在光子量子纠缠操控方面的贡献；2025 年，则认可了 “发现电路中的宏观量子隧穿与能量量子化现象” 的成果。
这些诺奖级科学发现，如同在微观量子世界和宏观现实之间架起的一座座桥梁。它们逐步证明，量子效应并非仅存在于遥远实验室的奇观，而是能够被人类掌控、放大并运用的技术原理。
基于这些发现，能破解复杂密码的量子计算机、可探测人体微小病变的量子传感器等量子技术，正朝着走进人类生活的方向推进。未来回望这些诺贝尔物理学奖认可的成果，便会清晰看到，正是这些研究为人类开启了量子技术普惠的新时代。
-感谢上海交通大学物理与天文学院唐豪教授审读和补充-
参考资料：
Nobel Prize for physics goes to 3 scientists for discoveries in quantum mechanical tunneling
Quantum properties on a human scale
《世界科学》王小科带你一起趣味了解2025年诺贝尔生理学或医学奖