2025年诺贝尔物理学奖

2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯，以表彰他们在实验上取得的突破。他们证明了量子隧穿和能量量子化等奇特的量子效应，可以在人手可持的超导电路这类宏观系统中被观察到。这项工作成功地将量子力学从微观尺度带到了宏观尺度，不仅加深了我们对基础物理的理解，也为量子技术的发展奠定了重要基础。

将量子世界带入宏观尺度

量子力学描述的是单个粒子层面的微观世界，其行为常常违背我们的直觉。例如，一个微观粒子有时能直接“穿过”一道屏障，仿佛它能穿墙而过，这种现象被称为 量子隧穿。相比之下，由无数粒子组成的宏观物体，比如一个球，每次撞到墙上都会被弹回来。

今年的获奖者们通过实验证明，量子隧穿效应可以在一个包含数十亿粒子的宏观系统中被清晰地观察到。

他们在1984至1985年间进行了一系列开创性实验，构建了一个特殊的超导电路。这个系统中的所有带电粒子表现得如同一个巨大的“超级粒子”，共同展现出纯粹的量子行为。

核心实验与发现

三位获奖者在加州大学伯克利分校构建了一个由两个超导体组成的电路，中间用一层薄薄的绝缘材料隔开，这被称为 约瑟夫森结。

• 实验设置: 在超导体中，电子会两两配对形成 库珀对 (Cooper pairs)。这些库珀对失去了个体性，它们的行为高度同步，可以被描述为一个单一的、贯穿整个电路的量子系统。
• 宏观量子隧穿: 最初，电路处于零电压状态，就像被一个能量壁垒困住。在经典物理学中，它会永远保持这个状态。然而实验观察到，该系统能够通过 量子隧穿 效应“逃离”这个状态，从而产生一个可测量的电压。
• 能量量子化: 他们还证明了这个宏观系统是量子化的。当用特定频率的微波照射电路时，系统会吸收能量并跃迁到更高的能级。这表明系统只能吸收或释放特定大小的能量包，即 量子 (quanta)。能量越高，系统隧穿所需的时间就越短，这与量子力学的预测完全一致。

“突然间，电压出现了。这就像一个开关在有障碍物阻挡的情况下，自己从‘关’跳到了‘开’。实验中发生的，就是宏观量子隧穿。”

意义与影响

这项实验的深远意义在于，它创造了一个本身就是宏观的量子态，而不是将许多微观量子效应简单地组合起来。理论物理学家安东尼·莱格特将其与 薛定谔的猫 思想实验相提并论，认为它证明了一个由海量粒子组成的系统，作为一个整体，可以表现出纯粹的量子特性。

这项工作为物理学研究和技术应用开辟了新的道路：

• 人造原子: 这种宏观量子系统可以被视为一个巨大的“人造原子”，它有可以连接的“插座”，能被用来构建新的实验装置，或模拟其他复杂的量子系统。
• 量子计算的基础: 实验中展示的量子化能级，正是构建量子计算机的基本单元——量子比特 (qubit) 的物理基础。最低的两个能级可以分别代表“0”和“1”。如今，超导电路已成为构建未来量子计算机最有前途的技术路线之一。

通过将量子现象从微观世界放大到宏观层面，今年的获奖者不仅为基础物理学提供了新的洞见，也为量子技术的实际应用铺平了道路。