諾貝爾物理獎：突破障礙的量子粒子

穿墻而過，同時體驗生死，跨越距離，進行虛擬心靈感應(yīng)。這些聽起來猶如科幻小說的事情，卻是量子粒子的現(xiàn)實世界。

John Clarke, Michel H. Devoret 和John M. Martinis三位物理學(xué)家證明，在我們可感知的體系中，就算是更大的東西也是遵循著這些奇特的規(guī)則。他們因這項發(fā)現(xiàn)而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

英國物理學(xué)家John Clarke1942年生于劍橋。因其在超導(dǎo)體和量子系統(tǒng)方面的開創(chuàng)性工作而聞名，這些技術(shù)也應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)研究。他在加州大學(xué)伯克利分校成立了一個研究小組，與今年的另外兩位獲獎?wù)摺▏锢韺W(xué)家Michel Devoret和美國物理學(xué)家John Martinis——一起開展研究。

Michel H. Devoret1953年出生于巴黎，并于巴黎大學(xué)獲得博士學(xué)位。20世紀(jì)80年代中期，他加入John Clarke的研究小組，擔(dān)任博士后。之后，他先后在薩克雷核研究中心和耶魯大學(xué)工作。他的研究方向為量子計量學(xué)和超導(dǎo)量子比特。DEvoret曾榮獲多項獎項，包括約瑟夫森獎（2004年）和弗里茨·倫敦紀(jì)念獎（2014年）。

John H. Martinis，生于1958年，也曾以博士生身份加入John Clarke的研究團隊。后來在加州大學(xué)圣巴巴拉分校任教，并成為谷歌量子系統(tǒng)的首席開發(fā)人員。他領(lǐng)導(dǎo)的團隊于2019年實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”的里程碑，讓量子計算機首次在特定任務(wù)上超越現(xiàn)有計算機。Martinis曾獲弗里茨·倫敦紀(jì)念獎（2014年），并且是美國國家科學(xué)院院士。

奇妙的量子世界

所謂量子是指任何物理量存在的最小、不可分割的基本單位。光伏、激光、核磁共振，這些都是基于量子學(xué)的日常應(yīng)用。這些量子粒子適用的物理規(guī)則與我們?nèi)粘Ｉ钪惺煜さ囊?guī)則完全不同。

如果把一個球拋向墻壁，我們通常認為它會反彈回來。然而，在量子力學(xué)的世界里，把球拋向墻壁足夠頻繁，它最終有可能“穿過”墻壁。在量子粒子中的觀察中可以看到：它們可以穿透原本無法逾越的障礙物。

電子一起“舞動”

然而這一現(xiàn)象一直僅在理論上得到描述。然而，在20世紀(jì)80年代進行的一系列實驗中，John Clarke, Michel H. Devoret 和John M. Martinis三位物理學(xué)家成功證明了這種奇特的行為在某些情況下確實會發(fā)生。

他們研究了超導(dǎo)電路。電子與傳統(tǒng)電流不同，在極低溫度下無阻力地流過電線。就像推一下汽車，它就能永遠行駛下去，而且不會消耗任何能量。電線中的電子聚集在一起“舞動”，單個電子的“偏轉(zhuǎn)”程度較小，不會損失任何能量。

在三位諾貝爾物理獎得主進行的實驗中，電子像一個巨大的量子粒子在同步的“舞動”中，流過整根導(dǎo)線，跨越導(dǎo)線中的空隙。電子束由此“隧穿”了屏障。實際上沒有電流通過，也有電流流動。

今年的諾貝爾獎得主由此證明了，即使是更大的物體也能實現(xiàn)這種隧穿技巧。

量子計算機的量子飛躍

John M. Martinis后來將研究人員的發(fā)現(xiàn)用于量子計算機實驗。他將實驗中電路的原理用作量子比特。傳統(tǒng)的比特可以假設(shè)狀態(tài)“0”或“1”。該電路可以假設(shè)更多狀態(tài)，因此理論上能夠提供數(shù)倍的計算能力。

量子計算機目前尚未達到那個水平。但他們對量子計算機的卓越性能研究已經(jīng)取得了一些進展，為其應(yīng)用開辟廣闊的前景。漢堡大學(xué)量子物理研究所的課題組長Henning Moritz解釋道，“如果我們擁有更強大的計算能力，我們就能計算出更好的氣候模型，或者找到將水轉(zhuǎn)化為氫和氧的催化劑用于儲能，或者研發(fā)出對抗新冠病毒等疾病的新藥，”

量子物理年

今年是量子粒子誕生一百周年：1925年，維爾納·海森堡、尼爾斯·玻爾和埃爾溫·薛定諤等一小群物理學(xué)家首次描述了量子世界。當(dāng)時，量子力學(xué)仍被認為是一種理論構(gòu)想，幾乎沒有應(yīng)用潛力。

量子理論一直被認為可以描述單個量子粒子的系統(tǒng)，但不適用于更大的尺度。今年諾貝爾獎得主的發(fā)現(xiàn)證明了這一假設(shè)是錯誤的。