師徒三人共摘諾獎：一塊芯片里的量子穿墻術

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北京時間10月7日17:49，瑞典皇家科學院揭曉了本年度諾貝爾物理學獎的歸屬。

這份沉甸甸的榮譽，頒給了三位在“電路中發現宏觀量子力學隧道效應與能量量子化現象”上做出奠基性貢獻的物理學家：美國加州大學伯克利分校的約翰?克拉克（John Clarke），以及他曾教導過的兩位杰出弟子——耶魯大學及加州大學圣塔芭芭拉分校的米歇爾?德沃雷（Michel H. Devoret），還有加州大學圣塔芭芭拉分校的約翰?馬蒂尼斯（John M. Martinis）。

一門師徒，三人同輝，這本身就是科學精神傳承最動人的注腳。

諾貝爾委員在點明其工作的劃時代意義之時是這么說的：他們用精巧絕倫的實驗，在一塊實實在在、能用手指捏住的芯片上，讓量子物理那些玄妙莫測的特性——特別是量子隧穿和能量量子化——清晰無誤地展現了出來！

這回答了一個縈繞物理學界多年的根本性問題：在由海量粒子構成的宏觀系統中，那些微觀世界的量子“怪癖”，還能存在嗎？還能被我們觀測到嗎？

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宏觀量子隧穿的實驗突破

想象一下，一個小球想滾過一座大山。經典世界里，它能量不夠就只能在山腳下干瞪眼。但在量子世界，這小球卻有可能像“穿墻術”一樣，以一定的概率直接“隧穿”到山那邊去，神奇吧？這就是量子隧穿。

然而，當系統變大，粒子多到像宏觀物體那樣，這種“穿墻術”效應通常就微弱到幾乎消失了，被環境的“嘈雜”徹底淹沒。量子特性似乎只屬于原子、電子那樣的微觀粒子。

但克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯三位，偏偏不信這個邪。他們選擇了一個精妙的戰場：超導電路。

時間回到1984至1985年，他們在實驗室里，用超導材料構建了一種特殊的電子元件。核心是兩個超導體，中間被一層薄得不可思議的絕緣層隔開，形成了一個叫作“約瑟夫森結”的結構。超導意味著電流可以在其中無損耗地流動。

他們是怎么做的呢？通過極其精密的控制，他們讓電流流過這個結。神奇的事情發生了：在這個宏觀尺度的電路中，那龐大的、本應由無數電子構成的電流，其行為竟然像一個單一的、整體的“宏觀粒子”！起初，這個系統處于一種“零電壓”的寧靜狀態——電流在流，但沒有電壓產生，仿佛被一道無形的能量高墻“困”在了山谷里。

然后，關鍵的觀測來了：這個宏觀的“電流粒子”，居然能夠以量子隧穿的方式，瞬間“躍遷”出這個能量低谷！這個“躍遷”不是比喻，它產生了一個清晰、可測量的電壓信號！這就是量子效應在宏觀尺度上的直接“顯形”！

但這還不夠震撼。他們更進一步，給這個宏觀系統“把了把脈”——用微波去“照射”它。

結果發現，當微波攜帶的能量精確等于這個宏觀系統內部兩個特定“臺階”之間的能級差時，系統就像被按下了共振開關，“隧穿”逃逸的概率，表現為電壓電流的激增，驟然飆升！

這清晰無誤地證明了：這個宏觀電路系統的能量，并非連續變化的，而是像樓梯臺階一樣，是一級一級、分立的、量子化的！它只能吸收或釋放特定“份量”的能量包。這不正是量子世界最核心的特征——能量量子化——在宏觀電路上的完美復現嗎？

他們的工作，第一次確鑿無疑地證明了約瑟夫森結以及用它構建的電路可以表現出清晰的量子行為。這個宏觀電路系統，其行為方程竟然類似于一個在特定勢能場中運動的微觀“質點”！它就像是一個“人造原子”，擁有自己分立的能級結構。

更關鍵的是，他們證明了這種量子行為可以被電路精確地控制和讀取。這個突破太重要了，短短兩年后，克拉克就因此獲得了1987年度的低溫物理領域最高榮譽之一的菲列茲·倫敦獎。

02

科學傳承與技術奠基

特別值得品味的是獲獎者之間的關系：克拉克是導師，德沃雷和馬蒂尼斯是他的學生。這不僅僅是榮譽的共享，更是科學智慧與探索精神代代相傳的生動體現。德沃雷后來在量子比特領域繼續深耕，1998年證明了電荷量子比特疊加態的存在，2002年實現了混合量子比特的精密操控和測量，為量子計算奠定了重要基石。馬蒂尼斯同樣成就斐然，后來在谷歌領導團隊實現了量子計算的里程碑——“量子優越性”實驗。

今天，諾貝爾獎的加冕，無疑是對他們四十年前那項開創性工作的最高致敬，也印證了基礎科學探索那穿越時光的永恒價值。

其實，他們的成就早已被學界預見。而在2021年，克拉克和德沃雷就，外加一位日本科學家中村泰信一道，更是共同獲得了被譽為“量子領域諾貝爾獎導向標”的“墨子量子獎”。

不過，那次的得獎人為何與這次有所不同呢？個人認為關鍵或在于獎項的立意不同。

還是那句話，諾獎更加獎勵零的突破，從零到一的原創性研究，而非后續發揚光大的應用性過程。而日本科學家中村泰信的主要貢獻在于他于1999年和2001年，率先分別實現了量子疊加態和關鍵的拉比振蕩且于2003年成功實現了磁通量子比特的拉比振蕩和讀出，可算成是從一到一百的應用突破。

至于之前2020年的時候基因編輯得諾獎，并未頒給華人科學家張鋒，很多人分析也是差不多的原因。

完全可以說，克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯在1985年的實驗，就像在宏觀世界的銅墻鐵壁上鑿開了一扇窗。他們讓我們第一次如此清晰地看到，即使在手可掌握的尺度，在由億萬個粒子構成的電路中，量子世界的奇異法則——隧穿與量子化——依然在頑強地跳動，如同宇宙最底層的脈搏。

這不僅是對量子力學普適性的偉大驗證，更是為后來波瀾壯闊的量子科技革命——從超導量子計算到量子精密測量——點燃了最初的，也是最關鍵的那束火種。

他們的工作告訴我們：量子的幽靈，從未遠離，它就在我們構建的宏觀世界深處，等待著被智慧的眼睛發現。

而這份對未知邊界的執著探索，正是科學精神最璀璨的光芒。

參考資料：

[1] https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjYwNzM1Ng==&mid=2651689305&idx=2&sn=60a30092e4c731c67801ed40592d8925&chksm=bd1f954a8a681c5cf23e0388a6c3f1f05ba99cfacac8dbded86a811d9c3afa0522ac8b217ac4&scene=27

[2] https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxNTY1NzA5Mg==&mid=2649635255&idx=2&sn=443154b8275bf943f993f95329e005f0&chksm=839a285cb4eda14ab92e7da21c8329a6480bee6705e2a309ad5879c72ce53dab022113ddff96&scene=27