六十多年，三代諾獎得主接力，人造一個迷你版“薛定諤貓”

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撰文 |張天蓉

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2025 年的諾貝爾物理學獎，授予了三位科學家，表彰他們“發現電路中的宏觀量子力學隧穿效應和能量量子化現象”。這三位科學家分別是：出生于英國劍橋的約翰·克拉克（John Clarke，1942-），出生于法國巴黎的米歇爾·H·德沃雷特（Michel H Devoret，1953-），和生于美國約翰·M·馬丁尼斯（John Martinis，1958-）。得獎時，三位都是美國加州大學的教授。

三位學者得諾獎的工作并不是獲獎近期做出來的，而是在40年前。1985年左右，他們在美國加州大學伯克利分校的實驗室里，通過一系列開創性的實驗證明，量子世界的奇異特性可以在一個大到可以握在手中的宏觀系統中具體實現。他們的超導電子系統可以從一種狀態隧穿到另一種狀態，就像直接穿過一堵墻一樣。他們還證明了，該系統吸收和釋放特定大小的量子化的能量，正如量子力學所預測的那樣。

此外，他們的得獎工作，還與另外兩位諾貝爾物理獎得主有關，可以算是站在巨人的肩上了。

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從約瑟夫森結開始

具體來說，2025年諾獎得主的超導電子系統之關鍵部分是約瑟夫森結，與其相關的約瑟夫森效應，是在上世紀60年代被另一位22歲的年輕人發現的……。

年輕人叫布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson ，1940 年 --），是英國理論物理學家，劍橋大學物理學名譽教授。他以在超導和量子隧穿方面的開創性工作而聞名，獲得了1973年諾貝爾物理獎。

圖1：約瑟夫森（1973年諾獎得主）在卡文迪許實驗室發現約瑟夫森效應

約瑟夫森出生于英國，父母都是猶太人。他讀研究生時成為劍橋大學卡文迪什實驗室凝聚態理論小組的成員。科研生涯盡管順利，但約瑟夫森畢竟太年輕，一旦提出什么新想法，不可能不受到物理大伽們的質疑。在他發現約瑟夫森效應的過程中，與兩位前輩：巴丁和安德森的學術交往便頗富戲劇性。

那是1962年，那年，將在1977年獲得諾獎的菲利普. 安德森39歲，在1956年和1972年獲的諾獎的約翰·巴丁54歲，約瑟夫森才22歲。物理大伽和小研究生有了交集。

在一個超導實驗中，電路被設計用來接收“普通”的隧道電流，即單個電子形成的電流，庫珀對本身似乎并不會穿過氧化物。然而，約瑟夫森卻有了一個想法，他計算庫珀對本身是否也有可能穿過氧化物屏障。通過計算，約瑟夫森發現了一些令人驚訝，似乎不太符合直覺的結果！一是即使電壓為零，也會有超電流穿過這個“結”（直流約瑟夫森效應）；此外，一旦施加電壓，超電流就會發生振蕩（交流約瑟夫森效應）。

這年，恰逢安德森從美國到劍橋訪問一年，講超導課程。安德森當年在固體物理界已有些名氣，約瑟夫森對他的課程感興趣而深入研究。于是，約瑟夫森向教課的安德森，展示了他用多體微觀理論得到的計算結果。安德森檢查了該理論并同意約瑟夫森的結論。

然而，美國物理學家巴丁，當時卻反對約瑟夫森的工作，并立即提交了一篇文章，認為“不可能存在這樣的超流體”。巴丁于1956 年1972 年，兩獲諾貝爾物理學獎，第二次諾獎就是因為他為解釋常規超導而建立的BCS理論。對這樣一位超導界的大神，約瑟夫森卻堅持自己的觀點，據理力爭，頗有“初生牛犢不怕虎”的精神，令巴丁這位權威對他幾乎也刮目相看。

不過，安德森一回到貝爾實驗室，就聯系了另一位實驗科學家約翰·羅威爾。他們修改了外部電路配置，并在短時間內觀察到了超電流還提交了論文發表。約瑟夫森預言的特殊超導現象：約瑟夫森效應被證實。

1962 年，約瑟夫森的計算結果發表在《物理快報》上，論文名字為《超導隧穿中可能出現的新效應》。同年，他當選為劍橋大學三一學院研究員，并于 1964 年以題為超導體非線性傳導的論文獲得博士學位。

所以，安德森教授的超導課，促成了約瑟夫森1973年的諾貝爾獎，安德森后來（1977年）也獲得了諾貝爾物理獎。有趣的是，學生的諾獎比老師的還早了4年。

約瑟夫森無疑是位物理天才，令人們遺憾的是，他發現超導量子比特，但最后卻患上“諾貝爾病“。所謂“諾貝爾病”，通常用來形容諾獎得主經常出現的怪癖，使他們晚年追逐偽科學，或產生某種瘋狂的想法。從20 世紀 70 年代初開始，約瑟夫森將注意力轉向主流科學界之外的問題：進行超驗冥想，探索量子神秘主義。他開始相信造物主的存在，認為冥想可以帶來神秘和科學的洞察力。

約瑟夫森效應（Josephson effect）講的是一類量子隧穿效應。

電子的一般量子隧穿效應在1927年就被發現了，喬治·伽莫夫于1928年，用量子隧穿效應解釋原子核的阿爾法衰變。然而，而超導中的超電流，是成對電子（庫柏對）的無耗散流動。約瑟夫森則經過計算，預測到超導中的庫柏對能夠和普通電子那樣，產生量子隧穿，即約瑟夫森效應。

約瑟夫森第一個預測到庫珀對的隧道效應[1]。自旋電子對形成的“庫柏對”是超導性的來源，根據1957年巴丁等人提出的BCS理論，低溫超導中的電子并不是單個地進行運動，而是弱耦合穩定地配對在一起成庫珀對。兩個配對電子的自旋，一上一下，它們的動量也是數值相等而方向相反。兩個電子成雙成對糾結成一體，可以不受阻礙地快速移動而形成超導。

因此，在約瑟夫森的預測之前，人們僅知道非超導狀態的電子可以借由量子隧穿效應流過絕緣層，而真正了解到超導狀態下的庫柏對也有這種隧穿現象存在，是在約瑟夫森預言，安德森等實驗證實之后，見圖2。

圖2：約瑟夫森效應

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“迷你版”薛定諤貓的設想

約瑟夫森效應的發現和解釋，將量子隧穿現象，從單個電子的行為擴展到了超導狀態下的“庫柏對”，但它仍然是單個“粒子”的微觀量子行為，從宏觀角度看，難以理解。

自量子力學誕生以來，其結論就一直挑戰著人們的直覺。最著名的例子是量子力學中的疊加態，人們經常用“薛定諤貓”的思想實驗來描述它。薛定諤的思想實驗旨在揭示這種情形的荒謬性，比如，在原子核的衰變中，粒子處于“衰變”與“未衰變”的疊加態，如果將此與宏觀世界的物體，比如一只貓的生死聯系起來，便會有一只“既生又死”的貓。這在現實世界中是不可能的，我們從未見到過。在宏觀現象中，觀察不到量子疊加態和量子糾纏態，是因為宏觀物體與周圍環境存在著無法避免的相互作用，這種相互作用會極快地破壞微觀的疊加態和糾纏態，人們稱之為“波函數塌縮”。

那么，如何將量子力學中的微觀現象與我們常見的宏觀現象聯系起來呢？物理學家們從未停止此類的思考。也就是說，“薛定諤貓”的思想實驗，用真實的貓肯定是無法實現的，不可能在實驗室中證實貓的量子特性。但能否在實驗室里，用某種方法創造出一個“迷你版”的薛定諤貓呢？

圖3：安東尼·萊格特（2003年諾獎得主）

這便是英國物理學家安東尼·萊格特（Anthony Leggett，1938--）當年提出的一個大膽設想[2]。

安東尼·萊格特是量子力學領域的杰出物理學家，因其在超流體和超導領域的貢獻而聞名，與他直接相關的是他在低溫物理和量子現象方面的研究，特別是在液體氦（超流氦）的量子行為方面。他的工作深入探究了量子態，例如超流氦的 準粒子（聲子、rotons等）和與液體氦的自旋有關的量子效應。他的研究也涉及量子自旋材料中的自旋動力學和相關量子現象，特別是在材料的低溫相變中的作用。因為他“對超導體和超流體理論做出的先驅性貢獻”，榮獲2003年諾貝爾物理獎。

在20世紀70年代末，他預言，在超導電路中，或許可以觀測到一種被稱為“宏觀量子隧穿”（Macroscopic Quantum Tunnelling, MQT）的現象。因為超導電路電阻極低，它與環境的耗散耦合非常微弱，這為維持宏觀量子態提供了可能。

萊格特關于約瑟夫森結宏觀量子隧穿的構想，為實驗物理學家們指明了方向。而2025年諾獎得主80年代的工作，第一次實現了這一構想。

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2025年諾獎得主的工作

萊格特大膽設想不容易，要真正在實驗室里做出來，就更不容易了。不過，這在1980年代，由美國加州大學伯克利分校的三位科學家實現了。

約翰·克拉克生于英國劍橋。1968年在英國劍橋大學獲得博士學位后，在加州大學伯克利分校獲得了一個博士后研究職位，隨后擔任過助理教授（1969 年）、副教授（1971 年），以致物理學教授（1973 年至 2010 年），整個學術生涯都在伯克利大學度過。

當時（1982 to 1984），克拉克的博士后研究員米歇爾·H·德沃雷特從法國移民到美國，加上他的來自美國的研究生約翰·M·馬丁尼斯，三人組成了一個強大的團隊。他們的目標就是驗證萊格特的猜想：在一個簡單的“電流偏置約瑟夫森結”系統中，尋找宏觀量子效應存在的確定性證據。

這類實驗的挑戰是巨大的，任何來自外界的微小噪聲都可能改變系統，導致錯誤的結論。

最后，他們的一系列實驗研究頗有成效[3]。他們至少觀察到了這些電路中的兩種量子效應：能量量子化和系統的宏觀量子隧穿。前者是典型的量子現象，意味著電路只能存在于某些離散的能量狀態，就像原子中的電子一樣，見圖4左下圖。后一個就更有趣了，意味著電路可以從一個狀態“跳躍”到另一個狀態，而無需跨越勢壘！這是量子隧穿的宏觀版本，有效地突破了經典物理學中認為不可逾越的障礙（圖4右圖）。因為在經典物理學中，一個球沒有足夠的能量的話，是不可能滾過一座山的。除非山下挖有隧道，而微觀量子世界中，不用挖隧道，總有一定的概率，粒子能跳過去。克拉克三人的電路仍然可以隧穿！至關重要的是，他們的電路系統足夠大，已經可以算是“宏觀” 實體，因此，他們第一次觀測到了“宏觀量子隧穿”現象，他們的演示有力地證明了量子力學并不僅僅局限于原子尺度。

克拉克的團隊利用約瑟夫森結，將超導體的獨特特性與量子隧穿現象相結合，創建了一個表現出量子行為的宏觀電子電路。這個宏觀電路行為類似于單個微觀粒子。

最初，電路系統處于一種電流流動而沒有任何電壓的狀態，原因是基于超導體的性質：即使沒有外部電壓，電流也會在其中流動。從經典角度看，處于這種初始狀態的電路，猶如被困在一道無法跨越的高山下，狀態似乎無法轉換。但他們的實驗，卻給出了奇跡般的結果：零電壓狀態可以自發地（以一定的概率），從這種初始態，躍遷到電壓不為0的狀態。換言之，電路隧穿到了另一個狀態！

量子隧穿現象，說明電路處于電壓“為0”和“不為0”的兩種狀態之疊加態，它們按照一定的概率互相轉換，如同“薛定諤的貓”。

三位科學家進行的實驗表明，這些大量粒子的共同行為，看起來如同單個微觀粒子的量子行為。盡管這種由許多庫珀對組成的宏觀系統仍然比現實中的貓，要小很多個數量級，但對于量子物理學家來說，它與薛定諤貓的宏觀行為已經非常相似了。

圖4：2025年諾獎得主的工作 圖片來源：?Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

克拉克團隊開創的宏觀量子效應，代表了應用物理學的顯著進步。他們的系統涉及大量的粒子，它們共同構成了一個宏觀系統，但仍然保留著量子特性：具有量子化的能級，并且能夠從一個狀態隧穿到另一個狀態。從理論上表明了，一個由大量粒子組成的宏觀系統，包括流經超導電路的大量電子，可以用一個波函數來描述。這個波函數決定了在特定狀態下觀察到該量子系統具有某些特定屬性的概率。

他們的工作在之后的幾十年里產生了深遠的應用，例如，人們利用類似系統中的兩個最低能量狀態作為固態量子比特。這種超導量子比特電路，是目前熱門研究的量子計算機的基礎。

三位獲獎者之一的約翰·馬丁尼斯，便曾經在谷歌從事利用超導量子比特構建量子計算機的工作。2019 年 10 月 23 日，馬丁尼斯及其團隊在《自然》雜志上發表了一篇題為《使用可編程超導處理器實現量子霸權》的論文，其中他們介紹了如何使用一種量子比特的量子處理器，首次實現量子霸權。

參考文獻：

[1] B.D. Josephson，Possible new effects in superconductive tunnelling，Physics Letters, 1(7), 1 July, pp. 251–253，1962.

Wikipedia：Brian Josephson，https://en.wikipedia.org/wiki/Brian_Josephson

[2] AO Caldeira, AJ Leggett，“Influence of dissipation on quantum tunneling in macroscopic systems”，Physical review letters 46 (4), 211, 1981

[3] John M. Martinis, Michel H. Devoret, and John Clarke，“Experimental tests for the quantum behavior of a macroscopic degree of freedom: The phase difference across a Josephson junction”，Phys. Rev. B 35, 4682 – Published 1 April, 1987

本文轉載自《知識分子》微信公眾號

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