2025年諾貝爾物理學獎揭曉！量子計算成最大贏家

新智元報道

編輯：艾倫 好困

【新智元導讀】剛剛，2025年諾貝爾物理學獎公布。今年物理學獎沒有頒給AI領域，而是量子力學。科學家John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis三人獲獎，以表彰他們「發現電路中的宏觀量子力學隧道效應和能量量子化」。

剛剛，2025年諾貝爾物理學獎公布！

科學家John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis三人獲獎，以表彰他們「發現電路中的宏觀量子力學隧道效應和能量量子化」。

對此，諾貝爾物理學獎評審委員會主席Olle Eriksson激動得表示：

百年量子力學仍不斷帶來新的驚喜！更重要的是，它極具實用價值，因為量子力學構成了所有數字技術的基礎。

計算機微芯片中的晶體管就是我們日常生活中已廣泛應用的量子技術實例。

今年的諾貝爾物理學獎為新一代量子技術的發展奠定了基礎，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器等領域。

今年獎金總額達1100萬瑞典克朗（約835萬元人民幣），由三位獲獎者平分。

獲獎貢獻

2025年諾貝爾物理學獎得主John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis，通過一系列實驗證明，量子世界的奇異特性可以在一個大到足以置于掌中的體系中具體展現。

他們的超導電路系統能夠實現狀態間的隧穿，如同徑直穿墻而過。

與此同時，系統還會以特定大小的能量份來吸收和釋放能量，這與量子力學的預言完全一致。

量子力學描述的特性，通常僅在單個粒子的尺度上才具有顯著意義。

在量子物理學中，這些現象被稱為微觀現象，即便它們遠比光學顯微鏡的觀測極限更小。宏觀現象則與之相反，它由大量粒子組成。

舉個例子，當我們把球扔向墻壁，它總會彈回來。然而，單個粒子有時卻能直接穿過其微觀世界中的等效勢壘，出現在另一側。

這種量子力學現象被稱為隧穿效應。

1984至1985年間，John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis在加州大學伯克利分校進行了一系列實驗。

他們用一層完全不導電的薄膜將這兩個超導體隔開。

實驗證明，他們能夠控制并研究一種奇特現象：超導體中的所有帶電粒子行動完全同步，仿佛它們是填充了整個電路的同一個粒子。

這就好比一個開關處于「關」的位置，且有東西阻礙它撥向「開」。若沒有量子力學效應，此狀態將保持不變。突然，電壓出現了。于是開關無視障礙，自行從「關」撥到了「開」。

實驗中發生的這一幕，被稱為宏觀量子隧穿。

獲獎者們的工作，建立在數十年積累的理論概念和實驗工具之上。

近一個世紀以來，物理學家們已經知曉，隧穿效應是特定類型核衰變（α衰變）發生的必要條件。

原子核的一小部分會掙脫束縛，出現在其外部。

物理學家們很快開始思考，是否有可能研究一種涉及多個粒子同時隧穿的現象。

一種新的實驗思路，源于某些材料在極低溫下呈現的奇異現象。

在普通導體中，電子相互推擠，并與構成材料的原子碰撞。

當材料成為超導體時，電子兩兩配對形成庫珀對，構成無阻力的電流。

此時，這些庫珀對的行為，就像一個充滿了整個電路的單一粒子。用量子力學的語言來說，它們共享同一個波函數。

如果用一層薄的絕緣層將兩個超導體連接起來，便構成了一個約瑟夫森結。

時間回到上個世紀，時任UC伯克利教授的John Clarke建立了自己的研究小組，專注于利用超導體和約瑟夫森結探索一系列物理現象。

到20世紀80年代中期，在巴黎獲得博士學位的Michel H. Devoret作為博士后加入了John Clarke的研究小組。

當時組里還有博士生John M. Martinis。他們共同接受了驗證宏觀量子隧穿的挑戰。

為了屏蔽實驗裝置免受一切潛在干擾，他們付出了巨大的心血和極高的精度。

最終，他們成功地優化并精確測量了其電路的各項屬性，從而對其有了透徹的理解。

為了測量量子現象，他們向約瑟夫森結注入微弱電流，并測量其兩端的電壓，該電壓與電路的電阻相關。

如預期那樣，約瑟夫森結的電壓最初為零。這是因為系統的波函數被「囚禁」在一個不允許產生電壓的狀態里。

接著，他們研究了系統需要多長時間才能隧穿出該狀態，從而產生電壓。

由于量子力學內含隨機性，他們進行了大量測量，并將結果繪制成圖表，從中解讀出零電壓狀態的持續時間。

以往，隧穿和能量量子化現象只在包含少數粒子的體系中被研究；而在這里，這些現象出現在一個由數十億個庫珀對構成的量子力學系統中（承載該電路的芯片尺寸約為一厘米）。實驗通過這種方式，將量子力學效應從微觀尺度帶入了宏觀尺度。

隧穿現象證明，實驗裝置中的庫珀對，在它們同步的「舞蹈」中，其行為宛如一個巨大的單一粒子。

當研究人員觀察到該系統具有量子化的能級時，他們獲得了進一步的佐證。

量子力學（Quantum mechanics）一詞的詞根「量子」（quanta），正源于微觀過程中能量總是以一份份獨立包裝的形式存在的觀察。

獲獎者們將不同波長的微波引入零電壓狀態，其中某些特定波長的微波被系統吸收，使其躍遷到更高的能級。

實驗表明，當系統擁有更多能量時，零電壓狀態的持續時間會變短——這正是量子力學的預言。一個被囚禁在勢壘后的微觀粒子，其行為方式與此完全相同。

一個處于勢壘后的量子力學系統可以擁有不同大小的能量，但它只能吸收或釋放特定大小的能量份。在較高能級發生隧穿比在較低能級更容易，因此，從統計上看，能量越高的系統被「囚禁」的時間，要短于能量較低的系統。

John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis所做的這一系列實驗表明，確實存在這樣一種現象：海量的粒子作為一個整體，其行為方式與量子力學的預言完全相符。

這個由眾多庫珀對構成的宏觀系統，其尺度雖然仍比一只小貓小數個數量級，但由于實驗測量的是適用于該系統整體的量子力學特性，因此在量子物理學家看來，它與「薛定諤的貓」頗有幾分神似。

這類宏觀量子態為利用主宰微觀粒子世界的現象進行實驗開辟了新的可能。

它可視作一種大尺度的人造原子——一個帶有電纜和插座的「原子」，可以被接入新的測試裝置，或應用于新興的量子技術。

在后來的實驗中，Martinis就基于這種能量量子化特性，并使用了一個具有量子化能態的電路作為信息承載單元——即量子比特。最低能態和其上的第一級激發態分別代表了「0」和「1」。

如今，超導電路正是目前探索構建未來量子計算機的領先技術路線之一。

因此，今年的獲獎者們不僅為物理實驗室帶來了實際應用價值，也為我們對物理世界的理論理解貢獻了新的認知。

獲獎者簡介

John Clark，1942年出生于英國劍橋，1968年獲英國劍橋大學博士學位，現任美國加利福尼亞大學伯克利分校教授。

在加州大學伯克利分校完成博士后研究后，他于1969年加入物理系任教。

他是倫敦皇家學會、美國物理學會、美國科學促進會以及英國物理學會的會士（Fellow）。

他曾獲斯隆研究基金會獎學金、古根海姆獎學金，并擔任米勒教授。

1987年，他被評為「加州年度科學家」，并因低溫物理研究獲得弗里茨·倫敦獎。

1998年，他獲得美國物理學會「約瑟夫·F·基思利測量科學進步獎」，1999年獲得美國國家科學院「康斯托克物理學獎」。

2004年獲得英國皇家學會「休斯獎章」，并于2005年擔任加州大學伯克利分校「教師科研講席教授」（Faculty Research Lecturer）。

他的主要研究興趣之一是超導量子干涉器（SQUID）的發展、噪聲極限與應用，對受量子極限約束的探測器和測量尤為著迷。

應用方向包括讀出超導（reading out superconducting）「量子比特（qubits）」、用于超低頻核磁共振（NMR）與磁共振成像（MRI）的新方案，以及尋找軸子。

他的論文被引近5萬次。

Michel H. Devoret，1953年出生于法國巴黎，1982年獲法國巴黎第十一大學（Paris-Sud University）博士學位，現任美國耶魯大學（康涅狄格州紐黑文）及加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校教授。

他的研究領域集中于實驗固態物理，特別是被他稱為 「量子電子學（quantronics）」 的方向，即研究在介觀電子系統中，電流與電壓等集體變量的量子行為。

Devoret的工作旨在深入理解用于量子信息處理（如量子計算與量子傳感）的超導電路中量子非平衡物理的基本原理。

他是現代超導量子電路與量子比特（qubit）實驗研究的奠基人之一。他與Robert Schoelkopf、John Martinis等人合作，對實現超導量子比特的相干控制與測量技術作出了關鍵貢獻。

他的團隊在實現可擴展量子比特架構與高保真度量子測量方面的實驗成果，對推動當代量子計算機的物理實現起到了決定性作用。

他的研究融合了基礎量子物理與工程技術，是「量子信息科學實驗物理化」的代表人物之一。

他在「量子限制放大器」、「單電子器件」、「量子測量理論實驗驗證」等方面的研究對量子計算和量子測量學的發展具有深遠影響。

Devoret部分榮譽與獎項：

• Comstock Prize in Physics（美國國家科學院，2024，與 Robert Schoelkopf 共享）

• Micius Quantum Prize（墨子量子獎），2022

• Olli V. Lounasmaa Memorial Prize，2016

• Fritz London Memorial Prize（與Robert Schoelkopf和John Martinis共享），2014

• John Bell Prize（與Robert Schoelkopf共享），2013

• 當選法國科學院院士，2007

• 任職法蘭西學院（Collège de France）教授，2007–2012

• Europhysics–Agilent Prize（與Daniel Esteve、Hans Moij和Yasunobu Nakamura共享），2004

• 當選 美國藝術與科學院院士（AAAS Fellow），2003

• Descartes–Huygens Prize（荷蘭皇家科學院），1996

• Ampère Prize（法國科學院，與Daniel Esteve共享，以表彰電子泵的發明），1991

John M. Martinis，1958年出生，1987年獲美國加利福尼亞大學伯克利分校博士學位，現任加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校教授。

John Martinis是一位杰出的物理學家，以其在量子計算領域的開創性貢獻而聞名。

他專注于超導量子比特的研究，一直站在開發高保真量子比特的最前沿，這些量子比特是可擴展量子處理器的關鍵。

在創立Qolab之前，馬蒂尼斯是谷歌量子霸權實驗的核心人物，他領導團隊展示了量子計算機在特定任務上超越全球最強經典超級計算機的能力。

他在量子糾錯與可擴展量子處理器方面的開創性研究極大推動了該領域的發展。

馬蒂尼斯持續激勵并指導新一代量子工程師和科學家，推動量子計算的實際應用向前發展。

他的論文被引已超過77000次。

讓我們再次向三位偉大的物理學家致敬！

參考資料：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/press-release/

https://physics.berkeley.edu/people/faculty/john-clarke

https://engineering.yale.edu/research-and-faculty/faculty-directory/michel-devoret

https://qolab.ai/our_team/john-martinis/