想象一下，如果我們能將那些只存在于原子世界中的奇特現(xiàn)象——比如粒子“穿墻而過”、能量“只能跳躍”——帶到我們?nèi)庋劭梢姷男酒希菍⒁馕吨裁矗?/p>

2025年的諾貝爾物理學獎，正是授予了三位將這一想象變?yōu)楝F(xiàn)實的科學家：約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John Martinis）。他們四十年前在加州大學伯克利分校的突破性實驗，首次在宏觀電路中觀測到了量子隧穿效應與能量量子化，為我們推開了通往量子未來的大門。

今年正好是量子力學誕生的第100周年，諾貝爾獎委員會的這一決定很有紀念意義：這項研究，既關(guān)系到量子力學過去的輝煌發(fā)展，又預示著量子科技可能迎來的繁榮未來。它的獲獎，在意料之外卻又在情理之中，而且可以說得上是實至名歸。

三位2025年諾貝爾物理學獎得主（從左至右）：約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特和約翰·馬丁尼斯，來源：Nobel Prize Outreach

量子效應，本來是只有在微觀粒子中才能觀測到的現(xiàn)象，它是怎么通過科學家的巧思，變成掌中可見的芯片的行為的呢？這一成果，又是如何為量子計算的實現(xiàn)鋪設(shè)道路的呢？現(xiàn)在，請跟隨我們的解讀來一探究竟吧！

超導理論：當電子們?nèi)跒橐惑w

這項實驗的原理，要先從基本粒子的兩種不同類型說起：其中一種是費米子，它們是我們自然界中的“社恐粒子”，遵循泡利不相容原理，也就是說，費米子們互不打擾，沒有兩個粒子可以處在相同的量子態(tài)上。而另一種粒子玻色子卻完全不同，它們“熱愛抱團”，無限數(shù)量的玻色子可以聚集在同一個量子態(tài)上。

玻色子（左）與費米子（右）的形象化示意圖，展示了它們在占據(jù)量子態(tài)上的差異。 來源：Robert Lea

電子就是一種費米子。在普通的金屬材料中，它們各自占有著自己的不同量子態(tài)，互不打擾，這些量子態(tài)排列成一條連續(xù)的能級。在電子傳輸電能時，它們不可避免地在這些能級間被激發(fā)，導致能量的損耗，產(chǎn)生電阻。

但是，在特殊的情況下，這些電子卻能兩兩結(jié)對，形成一種叫做庫珀對的特殊形態(tài)：

每兩個電子就像成為了一個整體，它們不再具有費米子的性質(zhì)，而是開始表現(xiàn)出像玻色子一樣的“社牛粒子”行為——所有的庫珀對都可以聚集在同一個能量最低的量子態(tài)上，因此阻止了能級之間的激發(fā)，避免了能量的損耗，“超導”也就隨之誕生了。（另外，這一發(fā)現(xiàn)也獲得了1972年的諾貝爾物理學獎，可以看出，基礎(chǔ)物理學的突破，也都是在前人工作的基礎(chǔ)上一步步實現(xiàn)的。）

庫珀對的形成示意圖：兩個電子通過晶格振動配對，展現(xiàn)出玻色子特性。 來源：SpringerLink

這樣的超導體，可不只有用于導電那么簡單。重點在此：現(xiàn)在所有的電子都集中在同一個量子態(tài)里，也就是說，在同一塊毫米大小的芯片里，數(shù)以億計的電子都在以同樣的“步態(tài)”做著一樣的“集體行為”！

電子們不再各自為政，而是融為一個整體，像是被一股無形的力量統(tǒng)一協(xié)調(diào)，它們的運動可以用一個整體的波函數(shù)來描述。就是這樣的現(xiàn)象，將量子力學的效應從微觀尺度帶領(lǐng)到了宏觀的尺度。

上：普通導體中電子的費米子行為。中：電子兩兩配對形成庫珀對。下：庫珀對的形成，導致整個超導電路中的電子共享同一個量子態(tài)，實現(xiàn)宏觀量子效應。 來源：Nobel Prize Outreach

實驗突破：掌心中的量子效應

這次獲得諾獎的實驗，就是在一個芯片大小的尺度上，觀測到了量子隧穿與能量的量子化。在之前的文章（《為什么你不能穿墻而過，但你的手機每天都在這么做？》與《電子集體”跳水“，如何點亮世界？》）中，我們已經(jīng)介紹過微觀世界的量子隧穿與能量量子化是什么：

一個日常生活中的球由無數(shù)個粒子構(gòu)成，顯示不出任何量子力學效應。所以，球每次被扔向墻壁時都會反彈回來。然而，粒子有時卻能在微觀世界中直接穿過等效的障礙物，出現(xiàn)在另一側(cè)。這種量子力學現(xiàn)象被稱為隧穿。如原子核的α衰變，就是通過量子隧穿效應才產(chǎn)生的。

原子核α衰變中的量子隧穿 來源：Nobel Prize Outreach

而能量量子化，表示著一個量子系統(tǒng)只能以特定數(shù)量吸收或發(fā)射能量，就好像爬一級級樓梯，能量的大小只能待在整數(shù)級樓梯的位置，卻不能懸空于兩級樓梯之間。

微觀粒子具有量子化的能量，如同站在不同的階梯上，能量只能取特定離散值。 來源：Nobel Prize Outreach

為了在宏觀物體中觀測到這樣的現(xiàn)象，這三位科學家的研究小組構(gòu)造出了一個叫做約瑟夫森結(jié)的結(jié)構(gòu)（約瑟夫森也因為提出了這一理論而獲得了1973年的諾貝爾物理學獎）：

約瑟夫森結(jié)，就是兩塊超導體材料中間夾著一層很薄的非超導體材料絕緣層。這個絕緣層通常只有幾納米（十億分之一米）厚，比你的頭發(fā)絲還要細幾萬倍！

約瑟夫森結(jié)示意圖：兩塊超導體（S）被極薄的絕緣層（I）隔開。 來源：維基百科

對于在超導體中暢通無阻傳輸?shù)碾娏鱽碚f，中間的這一絕緣層，就好像一堵高高的“墻”（勢壘），擋住了它們的去路。在經(jīng)典世界里，想要翻過這堵“墻”，需要付出很大的代價，在沒有施加外力的情況下，是不可能做到的。

在實驗中，當他們向約瑟夫森結(jié)輸入微弱的電流，最初，整個系統(tǒng)被困在一個沒有電壓的狀態(tài)，就好像一個開關(guān)被卡住了一樣。然而，在一段時間之后，他們觀察到系統(tǒng)偶爾會“逃脫”零電壓狀態(tài)，并產(chǎn)生一個可測量的電壓。

在這期間，系統(tǒng)并沒有提高自己的能量去翻過勢壘，因此，這就代表著整個系統(tǒng)完成了一次宏觀的量子隧穿——它們是通過神奇的量子效應，直接“穿透”了這堵墻。

而且，他們還可以證明，這個系統(tǒng)的能量，確實是量子化的：當他們向電路施加微波輻射時，系統(tǒng)只在特定頻率下顯示尖銳的共振峰——這證明系統(tǒng)只能吸收或釋放特定大小的能量包，就像微觀世界的粒子一樣。

未來已至：量子計算從此開啟

這一實驗的成功，對于量子力學本身來說，已經(jīng)是一個足夠巨大的突破了。然而，這項基礎(chǔ)科學發(fā)現(xiàn)的價值，不僅在于它擴展了我們對量子世界的理解，更在于它為量子技術(shù)革命奠定了基石。

它最重要的應用，就是能夠成為量子計算機中的量子比特。想要在現(xiàn)實世界中實現(xiàn)量子計算，我們必須尋找到一個可以調(diào)控的量子態(tài)，作為信息承載的單元，去表示計算機中的“0”或“1”。用這樣具有量子效應的宏觀超導電路制成的量子比特，就是目前最接近工業(yè)化生產(chǎn)，也是未來最有希望的一種。

量子比特藝術(shù)概念圖 來源：深圳國際量子研究院

我們可以通過調(diào)控這個電路中電流的不同運動狀態(tài)（比如，順時針流動的微小電流和逆時針流動的微小電流）去表示“0”和“1”。相比于其它的微觀量子態(tài)，它在應用上有著許多不可忽視的優(yōu)勢：

首先，它們的制造可以利用現(xiàn)在工業(yè)界已經(jīng)成熟的半導體制造工藝，能夠在芯片上集成大量量子比特，實現(xiàn)高集成度和可擴展性。得益于半導體工業(yè)的成熟制造經(jīng)驗，超導量子芯片的批量生產(chǎn)精度和一致性都很好。而且，這些芯片可以與經(jīng)典的電子控制設(shè)備良好兼容，簡化了整體架構(gòu)。

不僅如此，超導量子比特的操控速度極快，通過微波脈沖可在納秒（十億分之一秒）的級別完成操作。在量子計算中，操控量子比特的速度是非常重要的，因為量子態(tài)在一定的時間之后，就會不可避免地受環(huán)境干擾而被破壞（也就是“退相干”），如何在退相干之前完成更多的操作，是量子計算的實現(xiàn)中一個重要的難題。

超導量子計算機 圖片來源：IBM

因此，超導量子計算成為了目前最受歡迎的量子計算實現(xiàn)方式之一。許多世界領(lǐng)先的量子計算公司和研究機構(gòu)（如IBM、Google、Intel等）都在大力投資超導量子計算。

本次諾貝爾獎獲得者之一約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），2014年加入谷歌量子人工智能團隊，主導研發(fā)53量子比特計算機“懸鈴木”（Sycamore）并于2019年實現(xiàn)量子優(yōu)越性突破（量子霸權(quán)）。2020年4月離職，后自立創(chuàng)業(yè)，繼續(xù)“為了實現(xiàn)造一臺量子計算機的理想”。

約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis） 來源：網(wǎng)絡(luò)

雖然目前宏觀量子電路還存在許多挑戰(zhàn)，比如需要在極低溫環(huán)境下工作、易受外部噪聲影響導致量子態(tài)不穩(wěn)定等，所以，距離真正的超導量子計算機進入我們的日常生活，還有許多路要走。然而，諾貝爾獎委員會“超前”地將獎項頒發(fā)給這項奠基性的發(fā)現(xiàn)，或許也代表著對全球科學家與工程師們，將基礎(chǔ)量子力學原理轉(zhuǎn)化為未來顛覆性技術(shù)的巨大期許與鼓勵。

谷歌Sycamore超導量子計算處理器 來源：維基百科

我國“祖沖之號”超導量子計算機，在性能上也達到了國際領(lǐng)先水平，與美國呈現(xiàn)交替領(lǐng)先的競爭態(tài)勢。未來，在世界各國的科學家與企業(yè)的共同耕耘下，或許有一天，超導量子計算領(lǐng)域就會真正開花結(jié)果，那時，我們的生活可能發(fā)生超越想象的巨大變化。但就像宏觀量子效應的發(fā)現(xiàn)也是建立在前人一步步探索的基礎(chǔ)上一樣，超導量子計算究竟能否實現(xiàn)，也需要一步一個腳印地向前追尋。讓我們懷著科學的敬意，繼續(xù)期待吧！

作者：張一凡

審核：劉穎 張超 李培元 楊柳

審核專家：梁文杰、魏紅祥 中科院物理研究所研究員

本文來源科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”，已經(jīng)授權(quán)發(fā)布