开创性的“量子隧穿”实验获2025诺贝尔物理学奖

原文作者：Elizabeth Gibney & Davide Castelvecchi

John Clarke、Michel Devoret和John Martinis发现了宏观尺度的量子物理学，为量子计算铺平了道路。

三位物理学家被授予2025诺贝尔物理学奖，表彰他们证明了宏观尺度上的量子物理学。

他们研究的范围包含名为量子隧穿和量子叠加的奇特效应，为如今一些最先进的量子计算机奠定了基础。

10月7日，瑞典皇家科学院宣布，加州大学伯克利分校的John Clarke、耶鲁大学和加州大学圣塔芭芭拉分校的Michel Devoret、加州大学圣塔芭芭拉分校的John Martinis将分享1100万瑞典克朗（约合120万美元）的奖金。

“我太震惊了，我从未想到这项工作会拿到一个诺贝尔奖，”Clarke在宣布奖项的媒体发布会上表示，“我认为从某种角度来说，我们的发现可以算是量子计算的基础。”他表示，虽然他在80年代领导了他们三人的工作，但另外两位的贡献“是非常大的”。

Martinis告诉《自然》，他的妻子在半夜（加州时间）得到了这个消息，但决定先不叫醒他。“我大概6点不到醒了，然后打开电脑，看到了John和Michel还有我的照片。”

“最棒的是，我们可以在此庆祝已经一百岁的量子力学仍在不断输出新的惊喜。它还有值得深挖的实用价值，因为量子力学是所有数字技术的基础，”诺贝尔物理学委员会主席、瑞典乌普萨拉大学的物理学家Olle Eriksson表示。

宏观量子力学

量子力学早在100年前就已奠定根基，但量子力学的许多怪异现象却花了科学家几十年才慢慢解开。

一个现象是量子隧穿——粒子能够直接穿过势垒，由于能量原因，这在经典物理学中是不可能的。隧穿解释了放射性衰变，在这个过程中，尽管被束缚在原子中，但α粒子仍有逃逸原子核的微小可能性。另一个现象是量子叠加，即物体能同时处于两种状态。

之前对隧穿和叠加的认知仅限于原子水平，却从未在宏观系统中观测到。70年代末，日后因超导体理论研究而获得2003年诺贝尔物理学奖的Anthony Leggett提出，利用超导电路能在宏观尺度下观测到这两种现象——超导电路是一类金属线圈，能在稍高于绝对零度的低温下实现无电阻导电[1]。

“我们非常认真地对待这个问题——这种大型系统能遵循量子力学吗？我们无比仔细地思考了如何证明这一点。”Martinis回忆道。80年代时，和其他科学家一样，在伯克利分校工作的Clarke、Devoret和Martinis也在用超电路探索量子效应[2]。三人设计了一个实验，用一个薄层势垒将两个超导体隔开，这个间隙也被称为约瑟夫森结（Josephson junction）[3]。在这个状态下，超导电流能零电阻流动，就像没有摩擦力的河流————但也没有电压，从而没有梯度给电流施加推力。在经典物理学中，这个系统会一直困在这个状态，除非给它足够的能量才能逃逸。

通过细心监测该系统并缓慢增加电流，Clarke、Devoret和Martinis证明了整个微型电路会因为量子隧穿而进入更高的能态——他们通过测量到电压观测到了这一现象。东京大学物理学家中村泰信（Yasunobu Nakamura）表示，虽然Leggett预测过类似效应，但量子力学能在这么大的尺度上演示出来，着实令很多人惊叹不已。

中村泰信说：“他们是这个领域名副其实的先驱。”90年代末，中村泰信成了利用类似原理演示超导量子比特的首位物理学家。

“即使到今天，能在一个‘脏’的宏观电路中观察到量子现象仍令我惊讶，”普林斯顿大学的实验物理学家Nathalie de Leon说，“事实上，能让这么大的对象出现量子力学行为，是之后几十年大量科学探索成果的起点，在如今这个令人振奋的年代里，人们已开始利用超导电路构建量子处理器。”

量子计算

隧穿能将量子效应转化为可测量的经典信号，并用于测定系统在宏观尺度的量子态。它还证明了用数以万亿计的电子组成的电路，会出现单个量子对象的行为并被操控。

如今，以叠加态存储信息的能力，是打造量子计算机的一个很有前景的平台，将来有望完成原本难以完成的计算。Marinis和Devoret都曾就职于加州山景城的Google公司，Google开创了用超导量子比特构建量子计算机的先河。

该奖项表彰了一个基础性发现，但该效应在量子计算中的应用预示了实用前景，德国维尔茨堡大学的实验物理学家Laurens Molenkamp说。虽然量子计算机尚不算一项成熟的技术，但“超导装置可能是最大规模、最接近应用的实例，”他说，“不过最后的努力仍未出现。”[4]

Martinis表示，他很高兴这个奖能获得这么多关注。“真正的奖励是写出能让很多人阅读和参考的论文——而比这更好的是：它能促成更大范围的科研探索，让成千上万人一起研究超导量子比特。”