2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)得合理嗎？

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰·馬蒂尼斯（John M. Martinis），以表彰他們?cè)诤暧^量子隧穿和電路量子化方面的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。這幾位開(kāi)拓者通過(guò)超導(dǎo)電路，將量子效應(yīng)從微觀原子尺度擴(kuò)展到宏觀尺度，標(biāo)志著量子力學(xué)在更大系統(tǒng)中的應(yīng)用突破。正是這些突破，讓基于超導(dǎo)電路的量子器件在量子計(jì)算和量子精密測(cè)量領(lǐng)域大展身手。不過(guò)，業(yè)內(nèi)一些討論認(rèn)為，今年諾獎(jiǎng)似乎“發(fā)早了”，因?yàn)閷?shí)用超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)仍未落地；還有一些聲音認(rèn)為獲獎(jiǎng)人選不合理。本文作者將從量子效應(yīng)在宏觀尺度的探索與發(fā)現(xiàn)，談本次諾獎(jiǎng)成就的意義并回答上述疑問(wèn)。

撰文 | 無(wú)邪

圖1 2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)人與獲獎(jiǎng)理由
自量子力學(xué)誕生以來(lái)，關(guān)于量子世界與經(jīng)典世界的邊界在哪就一直是一個(gè)充滿爭(zhēng)議的問(wèn)題。著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)，就是在思考這個(gè)問(wèn)題時(shí)提出來(lái)的。薛定諤的貓是一個(gè)比較極端的案例，它直接將量子力學(xué)的基本假定——波函數(shù)應(yīng)用到日常生活可見(jiàn)可聞的宏觀尺度，并得出一個(gè)非常詭異的結(jié)論：在那個(gè)神秘的盒子里，有那么一只既死又活的貓！盡管物理上允許我們構(gòu)造出一個(gè)測(cè)量，它的本征態(tài)是死貓與活貓的疊加態(tài)，但現(xiàn)實(shí)世界似乎是存在禁忌的——我們只可能要么看到死貓，要么看到活貓。
很明顯，將量子力學(xué)效應(yīng)直接一步到位拉到宏觀尺度會(huì)產(chǎn)生非常反直覺(jué)、違背常識(shí)的問(wèn)題，所以接下來(lái)的問(wèn)題是：如果我們確定量子力學(xué)無(wú)法應(yīng)用于我們?nèi)粘？梢?jiàn)的宏觀尺度，那它到底在什么尺度上會(huì)失效呢？有這樣一個(gè)明確的邊界嗎？有的話它在哪？如果沒(méi)有，這中間又是如何過(guò)渡的呢？
物理學(xué)家一直在追尋這些問(wèn)題的答案。量子力學(xué)的幾個(gè)基本公設(shè)——波函數(shù)、薛定諤方程、測(cè)量的玻恩解釋是存在一些不可思議的地方的，除了時(shí)間和能量在方程中的特殊地位之外，最不協(xié)調(diào)的地方是演化的幺正性和測(cè)量的非幺正性，也就是量子體系演化過(guò)程是可逆的，測(cè)量卻是不可逆的。這中間無(wú)法用一個(gè)統(tǒng)一的方程來(lái)描述，以至于到后來(lái)產(chǎn)生了一個(gè)極具爭(zhēng)議的話題：這個(gè)世界的運(yùn)行，是否是由于“人”的意識(shí)而建立的？如果沒(méi)有了“人”這個(gè)最終的觀測(cè)者，這個(gè)世界是否就不會(huì)存在？很明顯這是物理學(xué)家難以接受的，正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)，物理學(xué)應(yīng)該具有“協(xié)變性”，即物理定律應(yīng)該在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都成立，而不應(yīng)存在某些特殊的點(diǎn)或特殊的實(shí)體。
早在上世紀(jì)20年代，在愛(ài)因斯坦的一份手稿中，記錄了他與玻色對(duì)玻色子統(tǒng)計(jì)特性的研究，其中愛(ài)因斯坦推測(cè)，將玻色子冷卻到非常低的溫度后，它們會(huì)“落入”到能量最低的量子態(tài)中，導(dǎo)致一種全新的物態(tài)。現(xiàn)在我們知道，這就是著名的“玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC）”，而它正是一種典型的宏觀量子態(tài)。隨著激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，到上世紀(jì)末，科學(xué)家終于可以在實(shí)驗(yàn)室里造出這種新物態(tài)。1995年，康奈爾（Eric Cornell）和威曼（Carl Wieman）使用激光冷卻和磁阱中的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，將大約2000個(gè)銣-87原子氣體的溫度降低到170 nK，也就是在不到百萬(wàn)分之一開(kāi)爾文的溫度下，首次獲得了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)；緊隨其后的克特勒（Wolfgang Ketterle）獲得了更大規(guī)模的鈉原子凝聚態(tài)，并研究了一些基本的物性。這三人因此分享了2001年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
由此，我們將量子力學(xué)的邊界拓展到了“萬(wàn)原子”規(guī)模，但這與宏觀尺度物質(zhì)所包含的原子數(shù)（～1023，千萬(wàn)億億個(gè)微觀粒子）相去甚遠(yuǎn)。我們能否在更大的尺度上去驗(yàn)證量子力學(xué)的有效性呢？答案是可以的。
超導(dǎo)現(xiàn)象從上世紀(jì)初一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就持續(xù)受到巨大的關(guān)注。直到今天，很多物理學(xué)家和材料學(xué)家都將發(fā)現(xiàn)“室溫超導(dǎo)體”視為圣杯。這是一種有著非常清晰的轉(zhuǎn)變、非常魯棒的相變行為——當(dāng)溫度低于某一閾值時(shí)，材料的電阻突然消失，與之相應(yīng)的出現(xiàn)完全抗磁效應(yīng)。隨著B(niǎo)CS理論的提出，我們終于對(duì)超導(dǎo)體，至少是常規(guī)超導(dǎo)體的微觀機(jī)理有了認(rèn)知：超導(dǎo)態(tài)與玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)竟然有著密切的聯(lián)系！首先，當(dāng)溫度降低到一定程度之后，電子在固體中原子核及其核心電子（我們可稱之為“原子實(shí)”）形成的周期性晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與晶格場(chǎng)發(fā)生相互作用，一對(duì)動(dòng)量相反、自旋相反的電子相互吸引，形成所謂的“庫(kù)珀對(duì)”。由于配對(duì)后的庫(kù)珀電子對(duì)總自旋為零，因此它將表現(xiàn)出玻色子的統(tǒng)計(jì)行為。在低溫下，這些庫(kù)珀對(duì)幾乎都處于基態(tài)，而庫(kù)珀對(duì)的尺寸非常大，這進(jìn)一步導(dǎo)致它們的波函數(shù)高度重疊，所有的庫(kù)珀對(duì)具有一致的相位，可以用同一個(gè)波函數(shù)來(lái)描述。換句話說(shuō)，超導(dǎo)體中的庫(kù)珀對(duì)“凝聚”到了一起，形成了一種全新的宏觀量子態(tài)。
與原子BEC不同，超導(dǎo)體中的宏觀凝聚態(tài)可以在更高的溫度下產(chǎn)生，而且其凝聚規(guī)模要大得多——單從參與其中的電子數(shù)量來(lái)看，已經(jīng)達(dá)到了我們?nèi)粘Ｉ钏佑|到的物質(zhì)規(guī)模了。但安東尼·萊格特（Anthony J. Leggett；2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）認(rèn)為，這些宏觀凝聚態(tài)的發(fā)現(xiàn)，并沒(méi)有直接證明量子力學(xué)原理適用于宏觀系統(tǒng)，因?yàn)槠渲胁](méi)有宏觀上的不同狀態(tài)之間的量子疊加。我們需要真正在宏觀尺度上造出“薛定諤的貓”態(tài)，才能夠證明量子力學(xué)在宏觀尺度上仍然是有效的。那我們能不能研究多個(gè)這種宏觀凝聚態(tài)之間的量子疊加行為，從而給出這個(gè)物理學(xué)家一直苦苦追尋的答案呢？
一種最為簡(jiǎn)單的、體現(xiàn)兩個(gè)超導(dǎo)“宏觀量子態(tài)”之間相互作用的情況，就是所謂的“約瑟夫森效應(yīng)”。這是由當(dāng)時(shí)還是學(xué)生的布萊恩·約瑟夫森（Brain Josephson）首次提出并寫(xiě)出相應(yīng)方程的宏觀量子干涉效應(yīng)。彼時(shí)正值BCS理論剛剛成型，約瑟夫森敏銳地察覺(jué)到，超導(dǎo)電性最終取決于非零的長(zhǎng)程電子-電子關(guān)聯(lián)函數(shù)均值，而不是序參量?。換句話說(shuō)，超導(dǎo)波函數(shù)是可以在絕緣體中存在的！這意味著庫(kù)珀對(duì)可以“隧穿”過(guò)本不可能存在超導(dǎo)態(tài)的絕緣體。
假如我們讓兩個(gè)超導(dǎo)體中間由一塊薄薄的絕緣層分隔開(kāi)（由于隧穿幾率隨絕緣層厚度增加而指數(shù)降低，要形成可觀測(cè)效應(yīng)，這個(gè)絕緣層的厚度要求非常薄，通常在10納米以內(nèi)），這就構(gòu)成了一個(gè)“約瑟夫森結(jié)”。由于絕緣層的存在，兩邊超導(dǎo)體的波函數(shù)保持著高度的獨(dú)立性，卻又均有一定幾率隧穿到對(duì)面，與另一個(gè)超導(dǎo)波函數(shù)發(fā)生相干疊加。于是一些有意思的量子效應(yīng)——約瑟夫森效應(yīng)就產(chǎn)生了。
接下來(lái)就到了關(guān)鍵時(shí)刻：我們能否證明約瑟夫森結(jié)中的宏觀變量——庫(kù)珀對(duì)數(shù)量或相位是量子的？或者說(shuō)，我們能否確切地觀察到這些宏觀變量的量子化，并制造出“薛定諤的貓”態(tài)來(lái)呢？早在1978年，萊格特在其論文《超低溫物理學(xué)展望》中就拋出了這個(gè)問(wèn)題：我們或許能夠在超導(dǎo)體或超流體系統(tǒng)中真實(shí)地制造出一個(gè)小型版的“薛定諤的貓”？他認(rèn)為在超導(dǎo)電路中很有可能找到宏觀量子隧穿的跡象，因?yàn)樗哂泻苄〉碾娮瑁馕吨c外部環(huán)境的耦合非常弱。為此，萊格特和他的博士生阿米爾·卡德拉（Amir Caldeira）專門(mén)研究了這樣的系統(tǒng)與耗散性環(huán)境存在弱耦合時(shí)，是如何影響宏觀量子隧穿幾率的，為這一領(lǐng)域的研究打下了理論基礎(chǔ)。
萊格特最初考慮的是一個(gè)由兩個(gè)約瑟夫森結(jié)和一個(gè)超導(dǎo)環(huán)路組成的超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）環(huán)路，事實(shí)證明有一個(gè)更好的、更為簡(jiǎn)單的研究對(duì)象：電流偏置的約瑟夫森結(jié)。

圖2 （a）是一個(gè)電流偏置的約瑟夫森結(jié)示意圖，圖中的散點(diǎn)陰影區(qū)表示超導(dǎo)體，中間的斜線陰影區(qū)則表示薄的絕緣層。（b）是它的等效電路示意圖，一個(gè)實(shí)際的約瑟夫森結(jié)可以表示為一個(gè)電容c、一個(gè)理想的約瑟夫森結(jié)，以及一個(gè)電阻的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在零電壓狀態(tài)，這個(gè)電阻可以忽略。
在1980年代早期，就已經(jīng)有不同研究組在電流偏置的約瑟夫森結(jié)中尋找宏觀量子隧穿的證據(jù)。測(cè)量的方法是通過(guò)逐漸改變偏置電流，測(cè)量約瑟夫森結(jié)從零電壓態(tài)向有阻態(tài)“逃逸”的概率。隨著溫度的逐漸降低，這一逃逸率應(yīng)該會(huì)逐漸偏離熱激發(fā)逃逸率，而趨于一個(gè)穩(wěn)定值，即進(jìn)入“量子區(qū)域”。但這個(gè)實(shí)驗(yàn)存在一個(gè)問(wèn)題，那就是即便你發(fā)現(xiàn)了這種偏離，該如何證明它不是由于其他噪聲，比如說(shuō)周圍更熱的物體的黑體輻射造成的？
直到約翰·克拉克和他的博士后德沃雷、大弟子馬蒂尼斯在實(shí)驗(yàn)中給出確切無(wú)疑的證據(jù)。約翰·克拉克是一位出生于英國(guó)的科學(xué)家，1968年，他在布萊恩·皮帕德（Brian Pippard）爵士的指導(dǎo)下獲得博士學(xué)位，1969年加入美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校并開(kāi)始了他獨(dú)立的科研生涯。1985年，三人合作先后《在物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表兩篇論文：《零電壓狀態(tài)下的電流偏置約瑟夫森結(jié)中的能量量子化》（Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction, Phys. Rev. Lett.,55, 1543, 1985）和《零電壓狀態(tài)下的電流偏置約瑟夫森結(jié)中宏觀量子隧穿測(cè)量》（Measurements of Macroscopic Quantum Tunneling out of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction, Phys. Rev. Lett.55, 1908, 1985）。第一篇論文首次觀測(cè)到宏觀變量——約瑟夫森相位在一個(gè)處于零電壓狀態(tài)的電流偏置約瑟夫森結(jié)中的量子化，即形成分立的能級(jí)。這些能級(jí)的位置與量子力學(xué)計(jì)算結(jié)果高度相符。第二篇論文則在相同的體系中明確觀測(cè)到了宏觀量子隧穿現(xiàn)象。

圖3 克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)稀釋制冷機(jī)中進(jìn)行的，約瑟夫森結(jié)安裝在稀釋制冷機(jī)的混合室內(nèi)，電流偏置線路、操控的微波線路、信號(hào)讀取線路都進(jìn)行了非常細(xì)致的濾波，很多濾波技術(shù)沿用至今天的超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)中。
為什么是他們的實(shí)驗(yàn)給出了明確的證據(jù)，而不是之前的同行們呢？因?yàn)樗麄冏隽朔浅＜?xì)致的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和線路濾波。他們開(kāi)發(fā)了一種“銅粉濾波器”專門(mén)用來(lái)吸收高頻噪聲，在0.1-12 GHz范圍內(nèi)，微波衰減超過(guò)了200 dB。此外，他們用一個(gè)超導(dǎo)線圈來(lái)“殺掉”約瑟夫森結(jié)——通過(guò)磁場(chǎng)抑制掉約瑟夫森結(jié)的臨界電流，讓它變成一個(gè)普通結(jié)。在沒(méi)有任何線路上的參數(shù)變化下，對(duì)比約瑟夫森結(jié)和“普通結(jié)”的逃逸率隨溫度變化曲線，從而打消了“其他噪聲影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論”的疑慮。

圖4 宏觀量子隧穿幾率在量子狀態(tài)（黑點(diǎn)）與經(jīng)典狀態(tài)（黑圈）下的區(qū)別。這一實(shí)驗(yàn)確定無(wú)疑地證明了宏觀量子隧穿的存在，以及約瑟夫森結(jié)相位是一個(gè)宏觀量子變量。
1988年，這個(gè)團(tuán)隊(duì)又在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表了一篇名為《宏觀變量的量子力學(xué)：約瑟夫森結(jié)的相位差》（Quantum Mechanics of a Macroscopic Variable: The Phase Difference of a Josephson Junction, Science,239, 992, 1988）的論文，通過(guò)測(cè)量低溫下電流偏置的約瑟夫森結(jié)從零電壓狀態(tài)向有阻態(tài)的逃逸率，結(jié)果量子力學(xué)的預(yù)測(cè)高度相符——“沒(méi)有任何可調(diào)參數(shù)”，確認(rèn)了約瑟夫森結(jié)相位差是一個(gè)宏觀量子變量。在論文的摘要中，他們自稱這是一個(gè)“用線接起來(lái)的宏觀原子”。彼時(shí)，德沃雷和馬蒂尼斯已經(jīng)前往法國(guó)薩克雷原子能研究所從事獨(dú)立的研究。萊格特教授對(duì)此評(píng)價(jià)頗高，認(rèn)為這比能級(jí)量子化更重要。
這一突破性進(jìn)展，為后續(xù)基于超導(dǎo)量子電路量子化的大量開(kāi)創(chuàng)性進(jìn)展，特別是超導(dǎo)量子計(jì)算，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。電流偏置的約瑟夫森結(jié)本身，就是一種早期經(jīng)典的量子比特——相位量子比特的前身。超導(dǎo)電路量子化的確立，使得我們可以利用超導(dǎo)量子電路來(lái)構(gòu)造“人工原子”：它具有可設(shè)計(jì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)、可設(shè)計(jì)的相互作用強(qiáng)度，以及可設(shè)計(jì)的與外部電磁場(chǎng)的耦合強(qiáng)度，使得構(gòu)造可控的人工量子體系用于量子信息處理成為可能。
約瑟夫森效應(yīng)的提出和約瑟夫森結(jié)相位差是一個(gè)宏觀量子變量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明了量子力學(xué)在更大的尺度上仍是有效的。1999年，日本理化研究所蔡兆申團(tuán)隊(duì)的中村泰信（Yasunobu Nakamura）首次在一個(gè)“超導(dǎo)小島”（很多時(shí)候我們也稱之為“庫(kù)珀對(duì)盒子”）中觀測(cè)到了量子相干振蕩現(xiàn)象，從此打開(kāi)了超導(dǎo)量子比特與超導(dǎo)量子計(jì)算的大門(mén)。這是一只非常活潑的“薛定諤的小貓”，它的存活時(shí)間，僅有不足3納秒。

圖5 中村泰信和他活潑的薛定諤小貓——庫(kù)珀對(duì)盒子
很多人認(rèn)為本次諾貝爾獎(jiǎng)“給早了”，因?yàn)槌瑢?dǎo)量子計(jì)算機(jī)還沒(méi)有真正造出來(lái)。我覺(jué)得很可能是大家將本年度的獎(jiǎng)項(xiàng)與超導(dǎo)量子計(jì)算直接關(guān)聯(lián)了起來(lái)。必須承認(rèn)，三人的工作為可控量子模擬和量子計(jì)算找到了一個(gè)非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，超導(dǎo)量子計(jì)算就是在這些工作的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展出來(lái)的。但這個(gè)工作的物理意義遠(yuǎn)不止此。正如我前面所說(shuō)，它突破了量子與經(jīng)典的邊界，確定無(wú)疑地證明了量子力學(xué)在日常可見(jiàn)的宏觀尺度上仍然有效。這表明量子和經(jīng)典世界之間，并不存在清晰的邊界。我們宏觀尺度上之所以不存在真正的“薛定諤的貓”，只是因?yàn)樨埮c環(huán)境的耦合太強(qiáng)，“薛定諤的貓”存在的時(shí)間短到不可能觀測(cè)。至此，我們不用懷疑量子力學(xué)在宏觀尺度的適用性：只要系統(tǒng)與外部環(huán)境的耦合足夠弱，不管系統(tǒng)有多大，它都是量子的。
另外，也有不少同行認(rèn)為這個(gè)獎(jiǎng)不給中村泰信等人有欠公平。而我認(rèn)為，正因?yàn)橹写宓某晒堑谝粋€(gè)公認(rèn)的“超導(dǎo)量子比特”，這個(gè)獎(jiǎng)還沒(méi)法給他，畢竟超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)還沒(méi)有真正應(yīng)用并改變世界。事實(shí)上，本次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰克拉克三人，有著更深和更普適的意義：宏觀量子隧穿和“人工原子”的確立，不僅促進(jìn)了超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展成熟，更是提供了一種全新的可控量子平臺(tái)，讓我們可以在更大的系統(tǒng)上產(chǎn)生應(yīng)用突破。
比如，利用約瑟夫森結(jié)電路中的量子化效應(yīng)，可以構(gòu)造各種精密測(cè)量工具，其中最著名的當(dāng)數(shù)“超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）”，約翰·克拉克正是這一器件的發(fā)明者及其應(yīng)用的大力推廣者。克拉克年輕時(shí)對(duì)無(wú)線電技術(shù)著迷，曾自制業(yè)余無(wú)線電設(shè)備，并在劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)室“搗鼓”超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致過(guò)一次小爆炸——這讓他意識(shí)到量子隧穿的“不可預(yù)測(cè)性”，也成為他日后研究的靈感來(lái)源。后來(lái)，他將SQUID應(yīng)用于腦磁圖成像，半開(kāi)玩笑地說(shuō)：“我從監(jiān)聽(tīng)無(wú)線電，變成了監(jiān)聽(tīng)大腦的量子信號(hào)！”克拉克個(gè)子很高，說(shuō)話風(fēng)趣幽默，我開(kāi)始進(jìn)入超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域時(shí)，他已年屆七十，但身體非常硬朗。盡管他稱得上是超導(dǎo)量子計(jì)算的奠基者之一，但他后來(lái)并沒(méi)有持續(xù)深入地去研究超導(dǎo)量子計(jì)算，反而不遺余力地發(fā)展SQUID技術(shù)并推廣其應(yīng)用。在他的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，有著目前噪聲最低的DC-SQUID，他還用他的SQUID進(jìn)行過(guò)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)。他寫(xiě)了一本《SQUID手冊(cè)》，至今仍放在我的書(shū)柜，但我終究是沒(méi)完整看完過(guò)！他是個(gè)非常有趣的人。

圖6 約翰·克拉克和他的SQUID
德沃雷后來(lái)到法國(guó)薩克雷原子能研究所成立了“量子電子學(xué)（Quantroncis）”團(tuán)隊(duì)，在那里他發(fā)明了電子泵，直接觀測(cè)到了庫(kù)珀對(duì)的電荷，還發(fā)展出一種新型的量子比特“Quantronium”。2002年，他成為耶魯大學(xué)的教授，在那里，他和團(tuán)隊(duì)構(gòu)建“電路量子電動(dòng)力學(xué)（circuit QED）”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人工原子的操控和測(cè)量。今天，超導(dǎo)量子計(jì)算應(yīng)用最為廣泛的“Transmon”量子比特，就是由他在耶魯?shù)膶W(xué)生科赫（Jens Koch）等人提出的。德沃雷在耶魯大學(xué)開(kāi)創(chuàng)的研究組，如今已經(jīng)成為超導(dǎo)量子電路、超導(dǎo)量子操控和計(jì)算領(lǐng)域的搖籃，散落在世界各地、近半數(shù)的超導(dǎo)量子研究組，比如IBM量子部門(mén)的開(kāi)創(chuàng)成員，都出身于這個(gè)偉大的研究組。

圖7 德沃雷和其研究組開(kāi)發(fā)的“3D transmon”
獲獎(jiǎng)的三人中，約翰·馬蒂尼斯是最具工程化能力的一位科學(xué)家。他是一位狂熱的電子愛(ài)好者，對(duì)約瑟夫森結(jié)及其電路所帶來(lái)的奇特電路效應(yīng)十分感興趣，并且最早在“相位量子比特”——接近臨界偏置的約瑟夫森結(jié)中發(fā)現(xiàn)了量子相干振蕩。他還在兩個(gè)相位量子比特之間實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離（10cm尺度）的糾纏，進(jìn)一步拓展了宏觀量子效應(yīng)的尺度。馬蒂尼斯是我輩心中的神級(jí)“大佬”（大概因?yàn)樗尺屣L(fēng)云那些年，我們還是超導(dǎo)量子領(lǐng)域的小學(xué)生），他的高光時(shí)刻是2014年其整個(gè)團(tuán)隊(duì)被谷歌收購(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了谷歌的量子AI團(tuán)隊(duì)，并在2019年推出橫空出世的“懸鈴木”量子芯片，在53個(gè)量子比特中首次展示了“量子霸權(quán)”。盡管此后他因某些原因黯然離開(kāi)谷歌量子AI團(tuán)隊(duì)，但他的后繼者，一群當(dāng)年在加州大學(xué)圣巴巴拉分校的弟子們，繼續(xù)將他的技術(shù)遺產(chǎn)推向新的高峰——2024年底推出105比特“Willow（垂柳）”量子芯片，將“量子霸權(quán)”推到5分鐘vs. 1025年的新高度，并首次在超導(dǎo)量子處理器上實(shí)現(xiàn)了表面碼量子糾錯(cuò)盈虧平衡點(diǎn)的突破，成為量子計(jì)算領(lǐng)域的一座新的高峰（參見(jiàn)《谷歌量子糾錯(cuò)取得重要突破：邏輯量子比特壽命大幅延長(zhǎng)》《谷歌量子芯片發(fā)布震驚全球，但這并不是新鮮事》）。而馬蒂尼斯本人在離開(kāi)谷歌之后也沒(méi)閑著，一方面繼續(xù)思考超導(dǎo)量子計(jì)算工程化方面的挑戰(zhàn)與解決方案，一方面試圖將他在超導(dǎo)量子體系中積累的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于其他物理體系，比如自旋量子比特。最近，他創(chuàng)立了一家新的公司Qolab，致力于利用半導(dǎo)體技術(shù)為超導(dǎo)量子芯片加工提供工業(yè)化解決方案。他是超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域的傳奇，用他自己的話說(shuō)：他是一位絕對(duì)的“技術(shù)樂(lè)觀派”。

圖8 約翰·馬蒂尼斯和他的“懸鈴木”量子處理器
2025年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予這三位宏觀量子效應(yīng)及其應(yīng)用的先驅(qū)，無(wú)疑是實(shí)至名歸的。正是這些開(kāi)創(chuàng)性的工作，才使得我們今天距離實(shí)用量子計(jì)算如此之近。最后引用德沃雷和舍爾科夫（Robert J. Schoelkopf）在2013年一篇綜述文章《用于量子信息處理的超導(dǎo)電路——一個(gè)展望》（Superconducting Circuits for Quantum Information - An Outlook）中的一段話作為結(jié)尾：

“然而，在過(guò)去不到二十年里，我們見(jiàn)證了量子計(jì)算，以及其他量子信息處理方面如此多的進(jìn)展，以至于（量子計(jì)算）看上去很可能在我們有生之年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，盡管仍有大量的新探索和技術(shù)創(chuàng)新等待著我們。”

我們必將是一個(gè)偉大時(shí)代的見(jiàn)證者，量子計(jì)算的榮耀必將歸于二十一世紀(jì)。向三位開(kāi)拓者致敬！

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