2025诺贝尔物理学奖：致敬量子力学的先驱，揭示宏观世界的量子秘密

2025年诺贝尔物理学奖授予 John Clarke、Michel H. Devoret 与 John M. Martinis

奖项揭晓：从微观走向可触摸的量子世界

瑞典皇家科学院宣布，将2025年诺贝尔物理学奖授予John Clarke、Michel H. Devoret 和 John M. Martinis，以表彰他们“在电路中发现宏观量子隧穿与能量量子化现象”的开创性工作。

这三位物理学家的实验让量子力学从抽象的理论世界，第一次在一块芯片上被“看见”——他们证明了，即使是肉眼可见、可握在手中的电路系统，也能展现量子物理的奇异规律。

量子世界的边界：多大算“量子”？

量子力学告诉我们，微观粒子可以“穿越”能量屏障，这种看似不可能的现象被称为隧穿效应（tunnelling）。然而，过去人们一直认为，这类效应只存在于极小的体系中——一旦涉及成千上万的粒子，这种量子特性就会被“平均”掉，消失不见。

2025年的诺贝尔物理学奖获得者改变了这一认识。他们设计了一种可以拿在手里的量子系统——通过电子电路，展示了宏观尺度上的量子行为。

实验突破：让电流展示量子性

在1984年至1985年间，三位科学家合作完成了一系列开创性的实验。他们使用了一种特殊的电路，由超导体构成——这种材料能在极低温下让电流无阻流动。

电路中的两个超导部分被一层极薄的绝缘层分隔，这种结构被称为约瑟夫森结（Josephson junction）。通过对电流、电压与能量态的精密测量与控制，他们揭示出系统内部奇异的量子现象：“无数电子在超导体中协同运动，表现得就像一个巨大的单一粒子——一个充满整个电路的宏观量子态。”

宏观隧穿：当电流“翻越”能量屏障

在他们的实验中，这个“宏观粒子系统”最初处于一个零电压状态：电流流动但没有电压差，就像被困在能量势垒之后。

然而，实验结果显示，这个宏观系统能够通过量子隧穿逃离这一状态——它突然越过“障碍”，进入新的能量层级。这种状态的变化表现为电路中出现电压信号，清楚地证明了隧穿效应的存在。这意味着：量子力学并非只属于微观世界，它的规律也能在宏观尺度上奏效。

能量量子化：电路中的“量子阶梯”

更令人惊讶的是，他们还观察到——这个宏观系统的能量不是连续变化的，而是离散的量子化阶梯。系统只能吸收或释放固定量的能量，就像电子在原子轨道中跃迁那样。

这不仅验证了量子力学的预测，也证明了电路系统的量子化特征——它既是电路，又是一个巨型量子粒子。

从芯片到量子未来

如今，我们所使用的电脑与手机芯片，早已基于量子力学原理——例如晶体管的工作机制本身就依赖电子的量子行为。

但这项诺贝尔奖的成果，为人类打开了新一代量子技术的大门：

🔐 量子加密（Quantum cryptography）：构建绝对安全的通信系统。

🧮 量子计算（Quantum computing）：让信息处理能力呈指数级提升。

🧭 量子传感（Quantum sensors）：实现超高灵敏度的测量与探测。

这些前沿方向都建立在他们的实验之上。从那块微小的超导电路出发，科学家们开始真正触摸量子世界的边界。

结语：当量子走向宏观

这项研究告诉我们：

• 量子世界与现实世界的界限，并非泾渭分明。
• 只要条件合适，宏观物体也能展现出量子特性。

John Clarke、Michel H. Devoret 与 John M. Martinis 的发现，不仅重新定义了“量子”的边界，更为未来几十年的量子科技革命奠定了基础。

“从微观到宏观，量子从未如此真实。”

整理 | 王建民

参考资料

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/