薛定谔的猫成真了？什么是宏观量子隧穿效应？2025年诺贝尔物理学奖解读

100年前的1925年量子力学诞生了，而100年后的诺贝尔物理学奖再次颁发给了量子力学这个领域。这也算是对量子力学诞生百年的庆祝吧。2025年的诺贝尔物理学奖颁发给了英国的约翰・克拉克（John Clarke）、法国的米歇尔・H・德沃雷（Michel H. Devoret）和来自美国的约翰・M・马丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他们“在电路中发现宏观量子力学隧穿效应与能量量子化现象”。

首先我们来说一下，什么是量子隧穿效应呢？简单说就是粒子会穿墙，因为在量子力学看来，粒子实际上波函数描述的，它的位置是概率存在，可能在这，也可能在那。所以即便这堵墙很宽很高，粒子都有一定的概率能够穿到墙的另外一面。这里的墙就是所谓的势垒，它不一定是真的墙，也可能是无形的障碍。也就是即便位势垒的高度大于粒子的总能量，量子力学认为粒子也有一定的概率能够穿墙而过。这件事儿在经典力学中显然是不现实的。但这就是量子力学的神奇之处，量子隧穿效应确实存在，而且已经应用在很多地方了，比如说太阳中心发生的的核聚变反应其实就是量子隧穿效应的体现。太阳中心的温度大概是1500万摄氏度左右，这个温度下的质子动能是远远不够用来克服库仑势垒从而发生核聚变的。这个时候就得靠量子隧穿效应才得以让核聚变反应有序的发生。再比如放射性衰变也是量子隧穿的体现比如α衰变，还有一些具体的应用，像是隧道二极管、扫描隧道显微镜等等。总之就是说粒子有概率能穿墙。

下面我们再来说什么是宏观量子隧穿效应呢？其实也简单，就是宏观尺度下的量子隧穿呗，那是不是就是说，我们一个人也有一定的概率能够穿墙呢？听起来虽然很玄幻，但答案是，是的，人确实有概率能穿墙，只不过这个概率要是计算的话就会发现，低的可怜。如果每秒钟尝试一次，那也得山无棱天地合，穷尽宇宙年龄可能也不一定有一次发生。那到底有没有宏观尺度下的量子隧穿效应呢？有，上个世纪60年代，当时人们已经发现超导现象了，所谓超导就是指，某些材料在特定条件下，比如说极低温条件下，能够实现0电阻的特性。也就是电流可以畅通无阻无损耗的传输，这就是超导体。为什么会这么神奇呢？传统导体存在电阻，这个电阻我们就可以理解为对电流的阻碍，为什么会有阻碍呢？因为一堆电子从这边跑到另一边，难免会磕磕碰碰，电子之间会发生碰撞，电子与材料之间也会发生碰撞，这就是阻碍，同时也会伴随着能量的损耗。但是超导体就不一样了，在超导体中，两个电子会相互抱团形成一个叫做库珀对的组织，库珀对通过交换声子来进行相互作用，这个库珀对就变得整齐有序了，也就不存在对于电流的阻碍了，这就是超导的BCS理论。说了这么多，超导和宏观量子隧穿有什么关系呢？有关系，1962年，当时有一个人，年仅22岁还在剑桥大学读博，这个人叫做约瑟夫森。约瑟夫森就突发奇想，如果我们给两个超导体中间夹上一个绝缘体薄膜，虽然这个薄膜是绝缘的，也就是经典理念认为电子是不可能通过绝缘体的，要不然就不叫绝缘了。但是约瑟夫森说，因为存在量子隧穿效应，所以超导体中的库珀对就会有概率穿过薄膜，也就是这个势垒形同虚设，库珀对可以穿墙过来。是不是呢？确实是这样的，而且是每个约瑟夫森结都会有一个临界电流，只要通过约瑟夫森结的电流小于临界电流，则约瑟夫森整体就是没有电压的，也就是中间的绝缘体形同虚设。没有电阻。其实也可以是一些其他的金属材料。如果电流超过临界电流，逐渐电压就出现了。这就是约瑟夫森结，这个效应就叫做约瑟夫森效应。也正是因为这个理论预测，约瑟夫森在1973年年仅33岁就获得了诺贝尔物理学奖。

那么问题来了，以上这些和今年的诺贝尔物理学奖有什么关系呢？关系大了，今年的三位获奖人的工作便是约瑟夫森效应在实践中的有力验证，以及他们把宏观量子隧穿效应放大到更大的尺度上来了。如果说约瑟夫森结的量子隧穿只体现在那个纳米量级的薄膜上，还不是肉眼可见，那今年克拉克、德沃雷以及马丁尼斯的工作则是把量子隧穿放大到肉眼可见的尺度上了，简单说就是用约瑟夫森结组成一个完整的电路。之前是约瑟夫森结是一个波函数，现在是一整个电路都可以用一个波函数来描述了。怎么理解呢。这就有点像薛定谔的猫，我们知道薛定谔的猫是一个经典的思想实验。它的本意就是想来讨论EPR佯谬，表达量子力学中的不确定性、叠加态是多么的荒诞。量子力学认为粒子处于衰变与不衰变的叠加态。在我们没有测量之前，粒子就是同时处于这两种状态。这种状态在宏观世界显然是不存在的，怎么能同时处于两种状态呢？于是薛定谔就设计了这个思想实验，粒子处于衰变与不衰变的叠加态，那么探测器就处于探测到与没探测到的叠加态，锤子就处于落下与没落下的叠加态，烧瓶就会处于被打碎与没被打碎的叠加态，最终传导到猫是处于活着和死了的叠加态。我们见过既死又活的猫吗？显然没见过。这就是薛定谔要阐述的荒诞之处。那么，薛定谔的猫这个思想实验为什么做不了？为什么不存在既死又活的叠加态的猫呢？因为是存在退相干理论，简单说就是量子态会受到周围环境的影响，坍缩到一个要么活、要么死的状态上来。因此并不是理论上不能够存在叠加态的猫，只是这种状态太脆弱了，很快就退相干了，只能极短时间出现，我们看不到。这就是今年三位获奖者的厉害之处了，它们通过一系列设计让整个电路不那么容易退相干，因此可以长时间的处于量子叠加态。这才是真正宏观量子效应的体现。比如说最简单的，我们用约瑟夫森结组成一个回路，由于量子态的存在，在这个回路中电流既可以从右向左，也可以从左向右，没错，电流处于从右向左和从左向右的叠加态。这就是SQUID，超导量子干涉仪。

宏观中的量子态有什么用呢？我们可以用它来当量子比特啊，没错，这就是量子计算和量子计算机的起点。这可能也是今年诺奖颁发给克拉克、德沃雷以及马丁尼斯最主要的原因吧。因为他们为超导量子计算机提供了基础验证。

所以也有人认为，今年的诺奖发的有点早了，第一个是量子计算机毕竟还处于实验室阶段，别说大规模量产了，就是距离具体能够投入使用也还有长的路要走。按照以往诺奖的经验，除非某个技术已经大规模使用，且对人类社会产生重大影响了，才会考虑颁发给先驱人物。第二个是，量子计算机可不仅仅只有超导这一个路线啊，还有量子光学啊、离子阱啊，我们的九章量子计算机，就是采用的光量子比特。祖冲之是超导量子比特。所以诺奖评委会这是押宝超导路线了吗？不管怎么说，每一个科学家的付出都是值得敬佩的。正好今年也是量子力学诞生100周年，发给量子力学也算是致敬了，那么也同时再次向今年获奖的三位科学家表示崇高的敬意！