英媒：诺贝尔物理学奖授予开创量子计算时代的物理学成果

A Nobel for the physics that ushered in quantum computing

——微观世界与宏观世界之间的隧穿效应

斯德哥尔摩阿尔弗雷德·诺贝尔博物馆入口

图片来源：盖蒂图片社

2025年10月7日

20世纪最伟大的物理学家之一理查德·费曼（RICHARD FEYNMAN）曾打趣道：“我想我可以有把握地说，没人真正懂量子力学。”颇具意味的是，10月7日瑞典皇家科学院会议厅内也弥漫着类似的困惑氛围——当天，本年度诺贝尔物理学奖授予了“在电路中发现宏观量子力学隧穿效应与能量量子化”的成果。

负责向普通大众解释相关基础科学原理的诺奖委员会成员戈兰·约翰松（Goran Johansson），似乎不知该如何清晰传达获奖者的成就；获奖者之一约翰·克拉克（John Clarke）则显得困惑——为何他与另外两位研究者会因40年前的研究成果而获此殊荣；而主要由记者组成的听众群体，从其寥寥无几的提问中也可看出，他们对刚刚听到的内容同样感到困惑。但或许，这要归咎于科学院在宣布时犯了一个记者行业的典型错误——把核心信息埋在了后面：这项科学成果催生了量子计算机技术中一个关键部件的发明。

无论是量子计算机还是其他类型的计算机，都属于宏观设备。传统计算机处理的是“比特”（bits）——即代表二进制数字1和0的电信号；而量子计算机处理的是“量子比特”（qubits），其数值在计算完成前处于量子不确定性状态。但通常认为，量子力学仅适用于原子和亚原子粒子构成的微观世界。克拉克博士及其两位同事——发现成果时仍是博士生的约翰·马蒂尼斯（John Martinis），以及当时为博士后的米歇尔·德沃雷（Michel Devoret）——所获的奖项，正是因为他们填补了量子力学与宏观世界之间的空白。

他们研究的现象被称为“量子隧穿效应”。作为量子力学核心原理——不确定性原理的一种表现形式，量子隧穿指的是量子物体无需翻越或穿过屏障（通常是某种能量屏障），就能出现在屏障另一侧的能力。在微观世界中，这种现象十分常见。例如，放射性衰变就依赖于α粒子（氦原子核）或β粒子（电子）隧穿穿过本会将其束缚在原子核内的能量屏障。

然而，当物质被冷却至接近绝对零度时，量子效应就能在更大尺度上显现。尤其是在这样的温度下，超导电性会占据主导。超导体中的电流由多个电子配对形成的“库珀对”（Cooper pairs）构成，这些库珀对有时还会进一步聚集形成所谓的“玻色-爱因斯坦凝聚态”。在这些状态下，电子运动毫无电阻，并且能通过隧穿效应穿过承载电流的电路导线中的物理间隙——这种间隙被称为“约瑟夫森结”（Josephson junctions），以英国物理学家布赖恩·约瑟夫森（Brian Josephson）的名字命名，他因提出这一概念，本人也于1973年获得诺贝尔物理学奖。

克拉克、马蒂尼斯与德沃雷三位博士进一步推进了这项研究。他们开展了一系列实验，实验对象被称为“人造原子”——实际上是填充了铜粉末的铜管，这些铜管与包含约瑟夫森结的超导硅芯片相连。实验结果表明，穿过间隙的电流具有量子化特征：换句话说，电流是阶梯式增减的，而非平滑变化。由于他们使用的装置显然属于宏观范畴，宏观量子隧穿效应由此得到证实。

此后数年，这项成果进展平平，直到1999年，日本的一些研究者意识到：若能控制这种阶梯式的电流增减，或许可借此制造一种能处理比特的装置；更确切地说，由于这是一种量子装置，它可用于处理量子比特。这一想法催生了“相位量子比特”（phase qubits）的发明，其本质是约瑟夫森结中量子化能级之间的振荡。而相位量子比特又进一步推动了更稳定的“传输子量子比特”（transmon）的设计，德沃雷博士也参与了传输子量子比特的研发工作。

量子计算机能否不负如今围绕它的炒作，仍有待观察。即便它们真能做到，届时又会在多大程度上让世人感到困惑，同样是个未知数。■

本文出处：https://www.economist.com/science-and-technology/2025/10/07/a-nobel-for-the-physics-that-ushered-in-quantum-computing