詳解2025諾貝爾物理學(xué)獎：他們在人類尺度上觀測到量子力學(xué)

2025 年 10 月 7 日北京時間 17 時 45 分許，英國學(xué)者約翰·克拉克（John Clarke）、法國學(xué)者米歇爾·H.德沃雷特（Michel H. Devoret）和美國學(xué)者約翰·M. 馬蒂尼斯（John M. Martinis） 因發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)以及電路中的能量量子化現(xiàn)象，獲得 2025 年諾貝爾物理學(xué)獎。

約翰·克拉克（John Clarke），1942 年出生于英國劍橋。1968 年獲得英國劍橋大學(xué)博士學(xué)位。他在超導(dǎo)和超導(dǎo)電子學(xué)方面做出了重大貢獻(xiàn)，特別是在超導(dǎo)量子干涉器件 （SQUID）的開發(fā)和應(yīng)用方面，超導(dǎo)量子干涉器件是超靈敏的磁通探測器。當(dāng)前的一個項目是應(yīng)用配置為量子噪聲限制放大器的 SQUID 來搜索軸子（暗物質(zhì)的可能組成部分）。克拉克于 1986 年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會院士，1999 年獲得康斯托克物理學(xué)獎，2004 年獲得休斯獎?wù)?。2012 年 5 月，他當(dāng)選為美國科學(xué)院外籍院士。現(xiàn)任美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校教授。

米歇爾·H.德沃雷特（Michel H. Devoret），1953 年出生于法國巴黎。1982 年獲得法國巴黎南大學(xué)博士。他以其在宏觀量子隧穿效應(yīng)和單電子泵浦方面的開創(chuàng)性工作以及對開創(chuàng)電路量子電動力學(xué)和量子學(xué)領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)而聞名。現(xiàn)任美國耶魯大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校教授。

約翰·M. 馬蒂尼斯（John M. Martinis），生于 1958 年。1987 年獲得美國加州大學(xué)伯克利分校博士。在攻讀博士學(xué)位期間，他研究了宏觀變量的量子行為，即約瑟夫森隧道結(jié)上的相位差。現(xiàn)任美國加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校教授。

2025年諾貝爾物理學(xué)獎得主約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H.德沃雷特（Michel H. Devoret）和約翰·M. 馬蒂尼斯（John M. Martinis）通過一系列實驗證明，就算一個系統(tǒng)大到可以握在手中，量子世界的奇異特性也能在其中體現(xiàn)出來。他們的超導(dǎo)電路系統(tǒng)可以從一個狀態(tài)隧穿到另一個狀態(tài)，就像直接穿過一堵墻一樣。他們還表明，該系統(tǒng)以特定大小的劑量吸收和發(fā)射能量，正如量子力學(xué)所預(yù)測的那樣。

一系列開創(chuàng)性的實驗

量子力學(xué)描述的是在涉及單個粒子的尺度上具有重要意義的特性。在量子物理學(xué)中，這些現(xiàn)象被稱為微觀現(xiàn)象，它們遠(yuǎn)小于用光學(xué)顯微鏡可以看到的尺寸。這與宏觀現(xiàn)象形成對比，宏觀現(xiàn)象由大量粒子組成。例如，一個日常的球由天文數(shù)量的分子構(gòu)成，顯示不出任何量子力學(xué)效應(yīng)。我們知道，球每次被扔向墻壁時都會反彈回來。然而，單個粒子有時會在其微觀世界中直接穿過障礙物。這種量子力學(xué)現(xiàn)象被稱為隧穿（tunnelling）。

當(dāng)你把球扔向墻壁時，你可以確信它會反彈回來。但在量子力學(xué)中，它卻可能出現(xiàn)在墻的另一側(cè)。量子物理學(xué)以這些奇異和違反直覺的現(xiàn)象而聞名。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎表彰了展示如何在宏觀尺度上觀察量子隧穿的實驗，涉及許多粒子。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特和約翰·馬蒂尼斯在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了一系列實驗。他們用兩個超導(dǎo)體構(gòu)建了一個電路，超導(dǎo)體是可以無電阻導(dǎo)電的元件。他們用一層完全不導(dǎo)電的薄材料將這些超導(dǎo)體分開。在這個實驗中，他們表明可以控制和研究超導(dǎo)體中所有帶電粒子協(xié)調(diào)一致行為的現(xiàn)象，就好像它們是填充整個電路的單個粒子一樣。

這個類似粒子的系統(tǒng)被困在一個電流無電壓流動的狀態(tài)中——這是一個沒有足夠能量逃脫的狀態(tài)。在實驗中，該系統(tǒng)通過隧穿逃離零電壓狀態(tài)，產(chǎn)生電壓，從而顯示出其量子特性。獲獎?wù)哌€能夠表明該系統(tǒng)是量子化的，這意味著它只以特定數(shù)量吸收或發(fā)射能量。

最初，實驗中完全沒有電壓。這就好比有一個處于關(guān)閉位置的開關(guān)，有某種東西阻止它被移動到開啟位置。如果沒有量子力學(xué)的效應(yīng)，這種狀態(tài)將保持不變。突然，電壓出現(xiàn)了。這就好像開關(guān)從關(guān)閉移動到了開啟位置，盡管兩者之間存在障礙。實驗中發(fā)生的這種現(xiàn)象被稱為宏觀量子隧穿。

隧穿和跨越

為了幫助他們，獲獎?wù)邠碛袔资陙戆l(fā)展出的概念和實驗工具。量子物理學(xué)與相對論一起，是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，研究人員在過去一個世紀(jì)里一直在探索它的含義。

單個粒子的隧穿能力是眾所周知的。1928年，物理學(xué)家喬治·伽莫夫（George Gamow）意識到隧穿是某些重原子核以特定方式衰變的原因。原子核內(nèi)部的相互作用在其周圍形成了一個勢壘，將粒子固定住。然而，盡管如此，原子核的一小部分有時會分裂出來，移到勢壘外并逃逸——留下一個已轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的原子核。沒有隧穿，這種衰變就不會發(fā)生。

隧穿是一個量子力學(xué)過程，這意味著概率是個關(guān)鍵。某些類型的原子核具有高而寬的勢壘，因此原子核的一部分可能需要很長時間才能隧穿到外部，而其他類型則更容易衰變。如果我們只看一個原子，我們無法預(yù)測何時會發(fā)生這種情況，但通過觀察大量相同類型原子核的衰變，我們可以測量隧穿發(fā)生前的預(yù)期時間。常見的方式是借助半衰期的概念，即樣品中一半原子核衰變所需的時間。

物理學(xué)家近一個世紀(jì)以來就知道，隧穿對于一種特定類型的核衰變（α衰變）是必需的。原子核的一小部分掙脫出來并出現(xiàn)在原子核外部。

物理學(xué)家很快就想知道是否有可能研究一次涉及多個粒子的隧穿類型。新型實驗的一種方法源于某些材料變得極冷時出現(xiàn)的現(xiàn)象。

在普通導(dǎo)電材料中，電流流動是因為有可以在整個材料中自由移動的電子。在某些材料中，穿過導(dǎo)體的單個電子可能會變得有組織，形成一種無阻力流動的同步舞蹈。材料變成了超導(dǎo)體，電子成對結(jié)合在一起。這些被稱為庫珀對，以利昂·庫珀的名字命名，他與約翰·巴丁（John Bardeen）和羅伯特·施里弗（Robert Schriefer）一起詳細(xì)描述了超導(dǎo)體的工作原理(1972年諾貝爾物理學(xué)獎)。

（1）在普通導(dǎo)體中，電子相互碰撞，也與材料發(fā)生碰撞。（2）當(dāng)材料變成超導(dǎo)體時，電子成對結(jié)合，形成庫珀對，并形成無電阻的電流。圖示中的間隙標(biāo)記了約瑟夫森結(jié)。（3）庫珀對的行為可以像它們都是填充整個電路的單個粒子一樣。量子力學(xué)使用共享的波函數(shù)來描述這種集體狀態(tài)。這個波函數(shù)的性質(zhì)在獲獎?wù)叩膶嶒炛衅鹬鲗?dǎo)作用。

庫珀對的行為與普通電子完全不同。電子具有很強(qiáng)的獨(dú)立性，喜歡彼此保持距離——如果兩個電子具有相同的性質(zhì)，它們就不能在同一個地方。例如，我們可以在原子中看到這一點，電子將自己分為不同的能級,稱為殼層。然而，當(dāng)超導(dǎo)體中的電子成對結(jié)合時，它們失去了一些獨(dú)立性；雖然兩個孤立的電子總是不同的，但兩個庫珀對可以完全相同。這意味著超導(dǎo)體中的庫珀對可以被描述為一個單元，一個量子力學(xué)系統(tǒng)。在量子力學(xué)的語言中，它們被描述為單一的波函數(shù)。這個波函數(shù)描述了在給定狀態(tài)下觀察到具有給定性質(zhì)的系統(tǒng)的概率。

如果兩個超導(dǎo)體之間用一層薄的絕緣勢壘連接在一起，就會形成約瑟夫森結(jié)。該元件以布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson）的名字命名，他對該結(jié)進(jìn)行了量子力學(xué)計算。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮結(jié)兩側(cè)的波函數(shù)時，會出現(xiàn)有趣的現(xiàn)象(1973年諾貝爾物理學(xué)獎)。約瑟夫森結(jié)迅速找到了應(yīng)用領(lǐng)域，包括精確測量基本物理常數(shù)和磁場。

該結(jié)構(gòu)還提供了以新方式探索量子物理學(xué)基礎(chǔ)的工具。安東尼·萊格特（Anthony Leggett，2003年諾貝爾物理學(xué)獎）就是這樣做的人之一，他關(guān)于約瑟夫森結(jié)處宏觀量子隧穿的理論工作激發(fā)了新型實驗。

研究小組開始工作

這些主題與約翰·克拉克的研究興趣完美匹配。他當(dāng)時是美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的教授，1968年在英國劍橋大學(xué)完獲得博士學(xué)位后搬到那里。在加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，他成立了自己的研究小組，專門使用超導(dǎo)體和約瑟夫森結(jié)探索各種現(xiàn)象。

到了20世紀(jì)80年代中期，米歇爾·H.德沃雷特在巴黎獲得博士學(xué)位后作為博士后研究員加入了約翰·克拉克的研究小組。該小組還包括博士生約翰·馬蒂尼斯。他們一起承擔(dān)了揭示宏觀量子隧穿現(xiàn)象的挑戰(zhàn)。這項工作需要大量的關(guān)注和精確度來保障實驗裝置免受所有可能影響它的干擾。他們成功地改進(jìn)和測量了電路的所有性質(zhì)，因而得以從細(xì)節(jié)上理解它。

為了測量量子現(xiàn)象，他們向約瑟夫森結(jié)輸入微弱電流并測量其電壓，其中電壓與電路電阻有關(guān)。正如理論預(yù)期，約瑟夫森結(jié)的初始電壓為零，因為系統(tǒng)的波函數(shù)被束縛在一個不允許產(chǎn)生電壓的狀態(tài)中。隨后，他們測量了系統(tǒng)通過量子隧穿從該狀態(tài)脫離并產(chǎn)生電壓需要多長時間。由于量子過程具有隨機(jī)性，他們進(jìn)行了大量重復(fù)測量，并將結(jié)果繪制成統(tǒng)計圖表，從中可以讀出零電壓狀態(tài)的持續(xù)時間。這種方法類似于通過大量原子核衰變事件來統(tǒng)計確定其半衰期。

約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬蒂尼斯使用超導(dǎo)電路構(gòu)建了一個實驗。承載該電路的芯片大約一厘米大小。此前，隧穿和能量量子化的研究都是在只有少數(shù)粒子的系統(tǒng)中進(jìn)行的；而在這里，這些現(xiàn)象出現(xiàn)在一個量子力學(xué)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)具有數(shù)十億個庫珀對，填充了芯片上的整個超導(dǎo)體。通過這種方式，該實驗將量子力學(xué)效應(yīng)從微觀尺度帶到了宏觀尺度。

隧穿現(xiàn)象表明，實驗裝置的庫珀對能夠以高度同步的“舞蹈步伐”系統(tǒng)運(yùn)動，宛如一個巨大的粒子。當(dāng)研究人員看到系統(tǒng)具有量子化的能級時，他們進(jìn)一步確認(rèn)了這一點。量子力學(xué)是根據(jù)微觀過程中的能量被分成獨(dú)立的包——量子——的觀察而命名的。獲獎?wù)邔⒉煌ㄩL的微波引入零電壓狀態(tài)。其中一些被吸收，然后系統(tǒng)躍遷到更高的能級。這表明，當(dāng)系統(tǒng)包含更多能量時，零電壓狀態(tài)的持續(xù)時間更短——這正是量子力學(xué)所預(yù)測的。這種機(jī)制同樣適用于被束縛在勢壘中的微觀粒子。

實踐和理論意義

勢壘后面的量子力學(xué)系統(tǒng)可以具有不同數(shù)量的能量，但它只能吸收或發(fā)射特定數(shù)量的能量。該系統(tǒng)是量子化的。在較高能級時隧穿比在較低能級時更容易發(fā)生，因此，從統(tǒng)計學(xué)上講，具有更多能量的系統(tǒng)被束縛的時間比具有較少能量的系統(tǒng)更短。

這個實驗對理解量子力學(xué)產(chǎn)生了重要影響。在宏觀尺度上觀察到的其他量子力學(xué)效應(yīng)由許多微小的個體部分及其各自的量子特性組成。這些微觀成分組合起來后，產(chǎn)生了如激光、超導(dǎo)體和超流體等宏觀現(xiàn)象。然而，這個實驗卻從一個本身是宏觀的狀態(tài)中，直接創(chuàng)造了一個宏觀效應(yīng)——可測量的電壓——以大量粒子的共同波函數(shù)的形式。

像安東尼·萊格特（Anthony Leggett）這樣的理論家，將獲獎?wù)叩暮暧^量子系統(tǒng)與埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）著名的思想實驗進(jìn)行了比較。薛定諤的思想實驗涉及一只在盒子里的貓，如果我們不往里看，這只貓既是活的也是死的。(埃爾溫·薛定諤獲得了1933年諾貝爾物理學(xué)獎。)他的思想實驗的目的是展示這種情況的荒謬性，因為量子力學(xué)的特殊性質(zhì)在宏觀尺度上往往會被抹去。整只貓的量子特性無法在實驗室實驗中得到證明。

然而，萊格特認(rèn)為，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特和約翰·馬蒂尼斯進(jìn)行的一系列實驗表明，確實存在涉及大量粒子的現(xiàn)象，這些粒子共同表現(xiàn)得如量子力學(xué)所預(yù)測的那樣。由許多庫珀對組成的宏觀系統(tǒng)仍然比貓小許多數(shù)量級——但因為實驗測量的是適用于整個系統(tǒng)的量子力學(xué)性質(zhì)，對于量子物理學(xué)家來說，它與薛定諤想象中的貓相當(dāng)相似。

這種類型的宏觀量子態(tài)為使用支配粒子微觀世界的現(xiàn)象進(jìn)行實驗提供了新的潛力。它可以被視為大規(guī)模的人造原子——一個帶有電纜和插座的原子，可以連接到新的測試裝置或用于新的量子技術(shù)。例如，人造原子被用來模擬其他量子系統(tǒng)并幫助理解它們。

另一個例子是馬蒂尼斯隨后進(jìn)行的量子計算機(jī)實驗，在該實驗中，他正是利用了他和其他兩位獲獎?wù)咚故镜哪芰苛孔踊Ｋ褂镁哂辛孔踊癄顟B(tài)的電路作為承載信息的單位——量子比特。其最低能態(tài)和第一激發(fā)態(tài)分別編碼信息0和1。超導(dǎo)電路是在嘗試構(gòu)建未來量子計算機(jī)中正在探索的技術(shù)之一。

因此，今年的獲獎?wù)呒葹槲锢韺嶒炇业膶嶋H應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)，也為理論上理解我們的物理世界提供了新信息。

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來源 | 環(huán)球科學(xué)

編輯 | 白衣

（全）