2025年诺贝尔物理学奖授予了约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯，以表彰他们在超导电路中发现了宏观量子隧穿现象。他们的研究首次证明，一个由大量粒子组成的宏观系统可以整体表现出单一的量子特性，能够像微观粒子一样“隧穿”能量壁垒。这一突破不仅加深了对量子力学的理解，更直接催生了超导量子比特，为现代量子计算机的发展奠定了基础。
经典世界与量子世界的区别
在我们的日常经验中，一个物体无法穿过它没有足够能量克服的障碍。如果你把一个球扔向一堵墙，它只会被弹回来。但在量子世界，规则有所不同。
- 量子隧穿：一个亚原子粒子（如电子）在面对能量壁垒时，即使自身能量不足以“翻越”这个壁垒，依然有一定概率直接“穿透”过去，出现在另一边。
- 这种概率取决于几个因素：
- 粒子的速度和能量。
- 壁垒的高度和厚度。
- 量子物理学的基本规则。
长期以来，人们认为量子隧穿只可能发生在微观尺度。然而，一项开创性的实验证明，在宏观世界中也能观察到这种奇特的量子效应。
宏观量子隧穿的发现
在经典物理学中，一个系统（比如一个山谷里的小球）如果想逃离当前所处的“能量谷”，就必须获得足够的能量来翻越“山丘”。如果没有外界能量的帮助，它将被永远困住。
但在量子物理学中，存在另一条出路。1984年至1985年，三位科学家在加州大学伯克利分校通过实验，首次在宏观尺度上实现了量子隧穿。这三位科学家正是2025年诺贝尔物理学奖的获得者：
- 约翰·克拉克
- 米歇尔·德沃雷
- 约翰·马丁尼斯
他们的工作证明，一个由数万亿个粒子组成的电子线路，可以作为一个单一的量子系统运行。
“他们证明了一个宏观电路的行为有点像一个单个的原子。它有能级……这种能级的量子化是所有量子比特的来源。这是量子比特的鼻祖。” — 伊尔凡·西迪奇，加州大学伯克利分校物理系主任
实验的核心：约瑟夫森结
为了实现这一目标，团队利用了超导现象和一种名为约瑟夫森结的特殊装置。
- 超导体：在极低温度下，电阻完全消失的材料。
- 约瑟夫森结：将两个超导体用一层极薄的绝缘材料隔开。
通过这种设计，整个电路（包含数万亿个电子）的行为不再是无数个独立粒子的集合，而是表现得像一个巨大的人造原子。这个宏观系统拥有自己的整体量子态。
证明其量子特性的关键证据
研究团队通过两个关键现象，证明了这个宏观电路的量子特性：
- 宏观量子隧穿：实验中，电路可以在没有外部能量输入的情况下，自发地从“零电压”状态“隧穿”到一个“有电压”的状态。在经典世界里，这种转变是不可能发生的，因为它需要能量来克服壁垒。
- 能量量子化：该系统只能吸收或释放特定数量的能量，就像原子只能在特定的能级之间跃迁一样。这证明了该宏观系统拥有分立的、量子化的能级，而不是经典系统中连续的能量状态。
这是首次有实验证明，一个由海量粒子组成的宏观物体可以作为一个整体，展现出纯粹的量子行为。
从基础研究到改变世界的技术
这项发现的意义远不止于理论层面。它为一项革命性技术铺平了道路：量子计算。
- 超导量子比特（Qubit）：约翰·马丁尼斯后来利用这项研究成果，将这种人造原子的最低两个能级用作一个量子比特。这种架构是目前性能最强的量子计算机的基础。
- 广泛应用：宏观量子隧穿的原理也被应用于其他前沿科技，包括超低场磁共振成像（MRI）、先进计算机中的量子电路，以及从神经科学到地球物理学的超精密测量技术。
这项始于40多年前的基础研究，最终发展成为重塑我们世界的技术。它完美诠释了基础科学探索如何为人类带来巨大的、改变未来的潜力。