10 月 7 日，瑞典皇家科学院宣布，将 2025 年诺贝尔物理学奖授予三位科学家：加州大学伯克利分校的 John Clarke、耶鲁大学及加州大学圣塔芭芭拉分校的 Michel H. Devoret，以及加州大学圣塔芭芭拉分校的 John M. Martinis。获奖理由是表彰他们在“发现宏观量子力学隧穿效应和电路中的能量量子化”方面的贡献。这项四十年前的奠基性工作，不仅在理论层面撼动了物理学界对量子与经典世界边界的认知，也为当今方兴未艾的量子计算产业奠定了关键的理论与实验基础。

（来源：Nobel Prize）

今年的奖项，聚焦于一个自量子力学诞生以来就萦绕在物理学家心头的根本问题：量子世界的奇异规则在多大尺度上仍然有效？自 20 世纪初以来，我们知道微观粒子，如电子和光子，遵循着与日常经验截然不同的量子力学。然而，我们生活的宏观世界，从棒球到行星，其行为都可以被经典物理学精确描述。这两套理论在各自的领域都取得了巨大成功，但它们之间的边界却一直是模糊的。

薛定谔那只著名的“猫”，其本意并非要论证一只猫可以同时处于死与活的叠加态，而是通过一个思想上的极端例子，来凸显将量子叠加态直接放大到宏观世界会产生何等荒谬的悖论，从而质疑量子理论的完备性。因此，能否在一个比原子大得多、但又足够“干净”以至于能保持其量子特性的人造系统中，直接观测到量子行为，成为了检验量子力学普适性的一个核心挑战。

在上世纪八十年代中期，加州大学伯克利分校一个由 John Clarke 教授、博士后 Michel H. Devoret 和博士生 John M. Martinis 组成的研究小组，开始着手通过实验来直接探索这一边界。Clarke 1942 年出生于英国剑桥，1968 年在剑桥大学获得博士学位后移居美国，是一位在超导研究领域经验丰富的物理学家。Devoret 则来自法国，在巴黎第十一大学取得博士学位后加入了 Clarke 的团队。Martinis 是团队中的美国博士生。

他们的实验平台是一个基于“约瑟夫森结”（Josephson junction）构建的超导电路。约瑟夫森结是一种微观器件，由两层超导体夹着一层极薄的绝缘体制成。它的奇特之处在于，流经它的超导电流与其两端超导体的量子相位差的正弦值成正比。这个非线性的关系，使得整个电路的行为可以用一个非常直观的物理图像来类比：一个虚拟的“粒子”在一个呈周期性起伏的“波浪板势”（washboard potential）中运动。在这个模型里，粒子所处的位置对应着约瑟夫森结的相位差，而外部施加的偏置电流则如同将这块波浪板倾斜。当偏置电流较小时，波浪板的倾斜度不大，粒子会被囚禁在其中一个凹槽（势阱）里，对应于电路处于稳定的零电压状态。

图丨由美国国家标准与技术研究院开发的约瑟夫森结阵列芯片（来源：Wikipedia）

按照经典物理学的预测，只要这个粒子没有获得足够的能量翻越凹槽的边缘（势垒），它就会永远待在里面。然而，Clarke、Devoret 和 Martinis 的实验观测到了一个关键现象：在被冷却到毫开尔文（mK）量级的极低温度下，即使没有任何外部能量的扰动，这个代表了整个电路宏观状态的“粒子”也会自发地、以一定概率从势阱中“消失”，并出现在势阱之外开始向下滑动。这一“逃逸”过程，在电学上表现为电路突然从零电压状态切换到一个有限电压的状态。这正是宏观量子隧穿（MQT，Macroscopic Quantum Tunneling）的直接证据。整个由数十亿库珀对构成的集体，其等效的宏观自由度作为一个整体，像单个量子粒子一样隧穿了能量壁垒。

为了观测到这个极其精细的效应，团队必须克服巨大的技术挑战。量子效应非常脆弱，任何来自环境的热噪声或电磁干扰都足以将其破坏。热能的标志性尺度是 kT（玻尔兹曼常数乘以温度），而量子能级的间距则由 ħω（约化普朗克常数乘以特征频率）决定。只有当 kT 远小于 ħω 时，量子化的能级结构才不会被热运动所“抹平”。这就要求实验必须在接近绝对零度的极低温下进行，并且需要设计极为复杂的同轴线缆和滤波器，来屏蔽从室温环境中渗透进来的微波噪声辐射。

在此基础上，该团队取得了第二个，或许是更为重要的发现。他们通过一根微弱耦合的微波天线，向这个电路系统施加特定频率的电磁辐射，相当于用微波去敲击那个囚禁在势阱中的虚拟粒子。他们发现，系统并非吸收任意频率的微波，而是只在特定的、不连续的频率上才产生强烈的响应，使得粒子逃逸的速率显著增加。这证明了粒子在势阱中的能量状态，即这个宏观电路的能级，是分立的、量子化的，就像单个原子的电子轨道能级一样。这是人类首次在一个可以用手操作的人造电路中，明确地、通过谱学方法观测到量子化的能级结构。

这两项实验成果清晰地表明，只要与环境隔离得足够好，一个宏观人造系统同样可以完整地展现出纯粹的量子行为，从而有力地回应了关于量子力学适用范围的长期争论。

在当时，这些发现主要被视为基础物理领域的重大进展。然而，从今天的视角来看，其对未来技术的影响更为深远。他们工作所揭示的两个核心特性——可控的宏观量子态和量子化的能级——正是构建量子比特（qubit）的先决条件。

一个具有两个可控分立能级的量子系统，就可以被用作信息的基本单元，其最低的两个能级分别被定义为量子态 |0⟩和 |1⟩。Clarke、Devoret 和 Martinis 的实验，为后来基于超导电路的量子比特发展奠定了关键基础。他们不仅证明了这样一个双能级系统（|0⟩ 和 |1⟩）的存在，还展示了如何通过施加微波脉冲来驱动能级间的跃迁（量子比特的操控），以及如何通过测量电路是否切换到电压态来读取其最终状态（量子比特的测量）。

他们的工作开辟了一条全新的路径：通过微纳加工技术在芯片上设计和制造“人造原子”，并利用这些人工量子系统来构建可扩展的量子信息处理器。在这条道路上，三位获奖者继续扮演着关键角色。John Clarke 作为导师和奠基人，在伯克利继续进行超导电子学和精密测量的研究。Michel H. Devoret 在耶鲁大学与同事 Robert Schoelkopf 和 Steven Girvin 一起，发展出了“电路量子电动力学”（circuit QED）这一强大的框架，极大地提升了超导量子比特的操控精度和相干时间，并领导设计了性能远超早期器件的“传输子比特”（transmon qubit），这至今仍是大多数领先的超导量子计算机所采用的核心设计。

而 John Martinis 还在量子技术产业化方向进一步深耕。他在加州大学圣塔芭芭拉分校成为该领域的领军人物后，于 2014 年带领其研究团队整体加入了谷歌，启动了该公司的量子硬件项目。正是在 John Martinis 的领导下，谷歌团队在 2019 年宣布其包含 53 个传输子比特的“悬铃木”（Sycamore）处理器，在某项特定计算任务上实现了超越当时最强经典超级计算机的性能，即所谓的“量子优越性”。尽管这一说法在细节上存在一些学术争议，但它无疑是量子计算发展的一个重要里程碑，而支撑这一成就的核心物理原理，便直接源于四十年前那项关于宏观量子隧穿和能级量子化的开创性实验。

图丨谷歌的“悬铃木”处理器（来源：Google）

今天，基于超导电路的量子计算已成为全球科技竞争的前沿阵地，吸引了包括谷歌、IBM 在内的科技巨头和众多初创公司的巨额投入。但当我们谈论量子技术的未来时，无论是量子计算、量子密码学还是量子传感，我们都不能忘记的是，这一切始于对自然界最基本规律的好奇，始于那些愿意在实验室里日复一日与噪声、温度、电路设计搏斗的研究者，始于那个看似简单实则深刻的问题：量子世界的边界究竟在哪里？Clarke、Devoret 和 Martinis 在 1980 年代给出的答案，不仅推进了我们对量子力学的理解，也为二十一世纪的技术革命奠定了基础。2025 年的诺贝尔物理学奖，正是对这种探索精神和科学成就的致敬。

参考资料：

1.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/press-physicsprize2025.pdf

2.https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/popular-physicsprize2025.pdf

排版：刘雅坤