将「薛定谔的猫」握在手中｜2025诺贝尔物理学奖揭晓

就在刚刚，2025年诺贝尔物理学奖揭晓，我全程看了直播

今年的奖项，颁给了 John Clarke（约翰·克拉克）、Michel H. Devoret（米歇尔·德沃雷）、John M. Martinis（约翰·马丁尼斯）三位科学家，以表彰他们发现了「宏观量子力学隧穿效应，和电路中的能量量子化」

负责颁奖的，是 Hans Ellegren（汉斯·埃勒格伦），是瑞典皇家科学院的常务秘书，也是瑞典皇家科学院的最高行政职位之一。颁奖现场上，Hans 拨通了 John Clarke 的电话，接通时，对面显然还没反应过来：「这是我一生中最大的惊喜，从未想过这会成为诺贝尔奖的基础」

对此，诺贝尔物理学委员会主席，奥勒·埃里克森（上图左）表示说：「能够见证百年历史的量子力学不断带来新的惊喜，这令人欣喜。它也极具实用价值，因为量子力学是所有数字技术的基础」

诺贝尔奖

下面，我让我们分别来看看这三位获奖者

首先是约翰·克拉克（John Clarke），1942 年生于英国剑桥，1968 年在剑桥大学获得博士学位。毕业后他前往加州大学伯克利分校，在那里建立起自己的研究组，专注于利用超导体和约瑟夫森结探索物理现象

接着是米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret），1953 年生于法国巴黎，1982 年在巴黎第十一大学获得博士学位。作为博士后研究员，他加入了克拉克的研究组。如今他是耶鲁大学和加州大学圣芭芭拉分校的教授

最后是约翰·马丁尼斯（John M. Martinis），1958 年出生，1987 年在加州大学伯克利分校获得博士学位——正是在攻读博士期间，他作为学生参与了这组实验。他现在是加州大学圣芭芭拉分校的教授

进行这项研究时，三人分别是：教授、博士后、在读博士生

克拉克在发布会上特别强调：「如果没有德沃雷和马丁尼斯，这个发现永远不会实现。他们的贡献是压倒性的」

还有就是，克拉克与 1973 年诺贝尔物理学奖得主布赖恩·约瑟夫森是剑桥的同学

在芯片上观测量子世界

这个研究组要解决的核心问题是：多大的系统能够展现量子力学效应？

1984 年和 1985 年，三位科学家在伯克利进行了一系列实验

他们构建了一个超导电路。超导体能够无电阻传导电流。电路中，两个超导体之间用一层极薄的绝缘层隔开，形成约瑟夫森结（Josephson junction）

实验发现：超导体中的带电粒子作为一个整体运动，表现得像一个填满整个电路的单一粒子

这个芯片只有约 1 厘米大小，约瑟夫森结位于两条超导导线的交汇处

系统起初处于零电压状态，被困在这个状态中。但实验显示，系统通过量子隧穿逃离了零电压状态，产生了可测量的电压

他们还证明，这个系统是量子化的，只能吸收或释放特定数量的能量

从理论到实验的突破

量子隧穿效应本身不新鲜

1928 年，物理学家乔治·伽莫夫发现，隧穿是某些重原子核衰变的原因。原子核周围有屏障，但核的一小部分有时会出现在屏障外侧并逃逸

物理学家们很快开始思考：是否可能观测到涉及多个粒子的隧穿？

在超导体中，电子不再各自独立移动，而是两两配对形成库珀对（Cooper pairs）。

这些库珀对失去了部分个体性——两个独立的电子总是可区分的，但两个库珀对可以完全相同。这意味着超导体中的所有库珀对可以被描述为一个单一的量子力学系统，用一个共同的波函数表示

如果两个超导体之间用一层薄的绝缘层连接，就形成了约瑟夫森结。这个结构以布赖恩·约瑟夫森命名，他对这种结构进行了量子力学计算，发现了一些有趣的现象（1973 年诺贝尔物理学奖）。约瑟夫森结很快找到了应用领域，包括精密测量基本物理常数和磁场

实验过程与发现

三位科学家面对的挑战是：如何在实验中展示宏观量子隧穿

实验设计很巧妙。他们向约瑟夫森结输入微弱电流，然后测量电压。一开始，电压为零。系统被困在这个零电压状态中，因为波函数不允许电压产生

接下来的问题是：系统需要多长时间才能通过隧穿逃离这个状态？当隧穿发生时，电压会突然出现。由于量子力学本质上涉及概率，他们进行了数百次测量，将结果绘制成统计图表。这类似于测量原子核半衰期的方法

隧穿现象证明了一个关键事实：实验中数以亿计的库珀对，在同步运动中表现得像一个单一的巨大粒子

研究人员还获得了第二个证据：系统具有量子化的能级。他们将不同波长的微波引入系统，其中一些被吸收，系统随后跃迁到更高的能级。实验数据显示，当系统包含更多能量时，零电压状态的持续时间更短。这正是量子力学的预测：能量越高，隧穿越容易发生

实验的意义

这个实验的独特之处在哪里？

以往的宏观量子现象，比如激光、超导体，都是无数微观粒子各自的量子行为累积而成

但这次不同：三位科学家观测到的电压信号，来自所有粒子作为一个整体的量子行为

理论物理学家安东尼·莱格特将这个实验与「薛定谔的猫」相比较

在那个著名的思想实验中，盒子里的猫既死又活，直到我们打开盒子。薛定谔想说明：这种量子叠加态只存在于微观世界，真猫不可能同时处于两种状态

但三位获奖者的实验表明：包含大量粒子的宏观系统，确实可以展现量子力学预测的行为

这个超导电路比一只猫小得多。但对物理学家来说，它已经足够接近「薛定谔的猫」。因为实验测量的是整个系统的量子特性，而不是单个粒子的

从实验室到量子技术

这个宏观量子系统可以被看作一个「人工原子」。它有电缆和插座，可以连接到各种测试装置中

马丁尼斯后来的工作是最好的例子。他利用当年证明的能量量子化特性，将这种电路改造成量子比特。最低能量状态代表 0，第一激发态代表 1

超导电路如今已成为构建量子计算机的主要技术路线之一。这项技术同样推动了量子密码学、量子传感器等领域的发展。从某种意义上说，我们身边的计算机芯片，也是量子技术应用的产物

最后

从 1984 年在伯克利实验室调试超导电路，到如今蓬勃发展的量子计算产业，以及三位科学家荣获诺贝尔奖，已经四十年了，一阵唏嘘...

再以及，本周是诺奖发布周，相关的发布时间我整理如下，可以留意