详解2025诺贝尔物理学奖：他们在人类尺度上观测到量子力学

源济

详解2025诺贝尔物理学奖：他们在人类尺度上观测到量子力学

2025 年 10 月 7 日北京时间 17 时 45 分许，英国学者约翰·克拉克（John Clarke）、法国学者米歇尔·H.德沃雷特（Michel H. Devoret）和美国学者约翰·M. 马蒂尼斯（John M. Martinis） 因发现宏观量子力学隧穿效应以及电路中的能量量子化现象，获得 2025 年诺贝尔物理学奖。

约翰·克拉克（John Clarke），1942 年出生于英国剑桥。1968 年获得英国剑桥大学博士学位。他在超导和超导电子学方面做出了重大贡献，特别是在超导量子干涉器件 （SQUID）的开发和应用方面，超导量子干涉器件是超灵敏的磁通探测器。当前的一个项目是应用配置为量子噪声限制放大器的 SQUID 来搜索轴子（暗物质的可能组成部分）。克拉克于 1986 年当选为英国皇家学会院士，1999 年获得康斯托克物理学奖，2004 年获得休斯奖章 。2012 年 5 月，他当选为美国科学院外籍院士。现任美国加利福尼亚大学伯克利分校教授。

米歇尔·H.德沃雷特（Michel H. Devoret），1953 年出生于法国巴黎。1982 年获得法国巴黎南大学博士。他以其在宏观量子隧穿效应和单电子泵浦方面的开创性工作以及对开创电路量子电动力学和量子学领域的开创性贡献而闻名。现任美国耶鲁大学和加利福尼亚大学圣巴巴拉分校教授。

约翰·M. 马蒂尼斯（John M. Martinis），生于 1958 年。1987 年获得美国加州大学伯克利分校博士。在攻读博士学位期间，他研究了宏观变量的量子行为，即约瑟夫森隧道结上的相位差。现任美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校教授。

2025年诺贝尔物理学奖得主约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·H.德沃雷特（Michel H. Devoret）和约翰·M. 马蒂尼斯（John M. Martinis）通过一系列实验证明，就算一个系统大到可以握在手中，量子世界的奇异特性也能在其中体现出来。他们的超导电路系统可以从一个状态隧穿到另一个状态，就像直接穿过一堵墙一样。他们还表明，该系统以特定大小的剂量吸收和发射能量，正如量子力学所预测的那样。

一系列开创性的实验

量子力学描述的是在涉及单个粒子的尺度上具有重要意义的特性。在量子物理学中，这些现象被称为微观现象，它们远小于用光学显微镜可以看到的尺寸。这与宏观现象形成对比，宏观现象由大量粒子组成。例如，一个日常的球由天文数量的分子构成，显示不出任何量子力学效应。我们知道，球每次被扔向墙壁时都会反弹回来。然而，单个粒子有时会在其微观世界中直接穿过障碍物。这种量子力学现象被称为隧穿（tunnelling）。

当你把球扔向墙壁时，你可以确信它会反弹回来。但在量子力学中，它却可能出现在墙的另一侧。量子物理学以这些奇异和违反直觉的现象而闻名。

今年的诺贝尔物理学奖表彰了展示如何在宏观尺度上观察量子隧穿的实验，涉及许多粒子。1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马蒂尼斯在加州大学伯克利分校进行了一系列实验。他们用两个超导体构建了一个电路，超导体是可以无电阻导电的元件。他们用一层完全不导电的薄材料将这些超导体分开。在这个实验中，他们表明可以控制和研究超导体中所有带电粒子协调一致行为的现象，就好像它们是填充整个电路的单个粒子一样。

这个类似粒子的系统被困在一个电流无电压流动的状态中——这是一个没有足够能量逃脱的状态。在实验中，该系统通过隧穿逃离零电压状态，产生电压，从而显示出其量子特性。获奖者还能够表明该系统是量子化的，这意味着它只以特定数量吸收或发射能量。

最初，实验中完全没有电压。这就好比有一个处于关闭位置的开关，有某种东西阻止它被移动到开启位置。如果没有量子力学的效应，这种状态将保持不变。突然，电压出现了。这就好像开关从关闭移动到了开启位置，尽管两者之间存在障碍。实验中发生的这种现象被称为宏观量子隧穿。

隧穿和跨越

为了帮助他们，获奖者拥有几十年来发展出的概念和实验工具。量子物理学与相对论一起，是现代物理学的基础，研究人员在过去一个世纪里一直在探索它的含义。

单个粒子的隧穿能力是众所周知的。1928年，物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）意识到隧穿是某些重原子核以特定方式衰变的原因。原子核内部的相互作用在其周围形成了一个势垒，将粒子固定住。然而，尽管如此，原子核的一小部分有时会分裂出来，移到势垒外并逃逸——留下一个已转变为另一种元素的原子核。没有隧穿，这种衰变就不会发生。

隧穿是一个量子力学过程，这意味着概率是个关键。某些类型的原子核具有高而宽的势垒，因此原子核的一部分可能需要很长时间才能隧穿到外部，而其他类型则更容易衰变。如果我们只看一个原子，我们无法预测何时会发生这种情况，但通过观察大量相同类型原子核的衰变，我们可以测量隧穿发生前的预期时间。常见的方式是借助半衰期的概念，即样品中一半原子核衰变所需的时间。

物理学家近一个世纪以来就知道，隧穿对于一种特定类型的核衰变（α衰变）是必需的。原子核的一小部分挣脱出来并出现在原子核外部。

物理学家很快就想知道是否有可能研究一次涉及多个粒子的隧穿类型。新型实验的一种方法源于某些材料变得极冷时出现的现象。

在普通导电材料中，电流流动是因为有可以在整个材料中自由移动的电子。在某些材料中，穿过导体的单个电子可能会变得有组织，形成一种无阻力流动的同步舞蹈。材料变成了超导体，电子成对结合在一起。这些被称为库珀对，以利昂·库珀的名字命名，他与约翰·巴丁（John Bardeen）和罗伯特·施里弗（Robert Schriefer）一起详细描述了超导体的工作原理(1972年诺贝尔物理学奖)。

（1）在普通导体中，电子相互碰撞，也与材料发生碰撞。（2）当材料变成超导体时，电子成对结合，形成库珀对，并形成无电阻的电流。图示中的间隙标记了约瑟夫森结。（3）库珀对的行为可以像它们都是填充整个电路的单个粒子一样。量子力学使用共享的波函数来描述这种集体状态。这个波函数的性质在获奖者的实验中起着主导作用。

库珀对的行为与普通电子完全不同。电子具有很强的独立性，喜欢彼此保持距离——如果两个电子具有相同的性质，它们就不能在同一个地方。例如，我们可以在原子中看到这一点，电子将自己分为不同的能级,称为壳层。然而，当超导体中的电子成对结合时，它们失去了一些独立性；虽然两个孤立的电子总是不同的，但两个库珀对可以完全相同。这意味着超导体中的库珀对可以被描述为一个单元，一个量子力学系统。在量子力学的语言中，它们被描述为单一的波函数。这个波函数描述了在给定状态下观察到具有给定性质的系统的概率。

如果两个超导体之间用一层薄的绝缘势垒连接在一起，就会形成约瑟夫森结。该元件以布赖恩·约瑟夫森（Brian Josephson）的名字命名，他对该结进行了量子力学计算。他发现，当考虑结两侧的波函数时，会出现有趣的现象(1973年诺贝尔物理学奖)。约瑟夫森结迅速找到了应用领域，包括精确测量基本物理常数和磁场。

该结构还提供了以新方式探索量子物理学基础的工具。安东尼·莱格特（Anthony Leggett，2003年诺贝尔物理学奖）就是这样做的人之一，他关于约瑟夫森结处宏观量子隧穿的理论工作激发了新型实验。

研究小组开始工作

这些主题与约翰·克拉克的研究兴趣完美匹配。他当时是美国加利福尼亚大学伯克利分校的教授，1968年在英国剑桥大学完获得博士学位后搬到那里。在加利福尼亚大学伯克利分校，他成立了自己的研究小组，专门使用超导体和约瑟夫森结探索各种现象。

到了20世纪80年代中期，米歇尔·H.德沃雷特在巴黎获得博士学位后作为博士后研究员加入了约翰·克拉克的研究小组。该小组还包括博士生约翰·马蒂尼斯。他们一起承担了揭示宏观量子隧穿现象的挑战。这项工作需要大量的关注和精确度来保障实验装置免受所有可能影响它的干扰。他们成功地改进和测量了电路的所有性质，因而得以从细节上理解它。

为了测量量子现象，他们向约瑟夫森结输入微弱电流并测量其电压，其中电压与电路电阻有关。正如理论预期，约瑟夫森结的初始电压为零，因为系统的波函数被束缚在一个不允许产生电压的状态中。随后，他们测量了系统通过量子隧穿从该状态脱离并产生电压需要多长时间。由于量子过程具有随机性，他们进行了大量重复测量，并将结果绘制成统计图表，从中可以读出零电压状态的持续时间。这种方法类似于通过大量原子核衰变事件来统计确定其半衰期。

约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马蒂尼斯使用超导电路构建了一个实验。承载该电路的芯片大约一厘米大小。此前，隧穿和能量量子化的研究都是在只有少数粒子的系统中进行的；而在这里，这些现象出现在一个量子力学系统中，该系统具有数十亿个库珀对，填充了芯片上的整个超导体。通过这种方式，该实验将量子力学效应从微观尺度带到了宏观尺度。

隧穿现象表明，实验装置的库珀对能够以高度同步的“舞蹈步伐”系统运动，宛如一个巨大的粒子。当研究人员看到系统具有量子化的能级时，他们进一步确认了这一点。量子力学是根据微观过程中的能量被分成独立的包——量子——的观察而命名的。获奖者将不同波长的微波引入零电压状态。其中一些被吸收，然后系统跃迁到更高的能级。这表明，当系统包含更多能量时，零电压状态的持续时间更短——这正是量子力学所预测的。这种机制同样适用于被束缚在势垒中的微观粒子。

实践和理论意义

势垒后面的量子力学系统可以具有不同数量的能量，但它只能吸收或发射特定数量的能量。该系统是量子化的。在较高能级时隧穿比在较低能级时更容易发生，因此，从统计学上讲，具有更多能量的系统被束缚的时间比具有较少能量的系统更短。

这个实验对理解量子力学产生了重要影响。在宏观尺度上观察到的其他量子力学效应由许多微小的个体部分及其各自的量子特性组成。这些微观成分组合起来后，产生了如激光、超导体和超流体等宏观现象。然而，这个实验却从一个本身是宏观的状态中，直接创造了一个宏观效应——可测量的电压——以大量粒子的共同波函数的形式。

像安东尼·莱格特（Anthony Leggett）这样的理论家，将获奖者的宏观量子系统与埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）著名的思想实验进行了比较。薛定谔的思想实验涉及一只在盒子里的猫，如果我们不往里看，这只猫既是活的也是死的。(埃尔温·薛定谔获得了1933年诺贝尔物理学奖。)他的思想实验的目的是展示这种情况的荒谬性，因为量子力学的特殊性质在宏观尺度上往往会被抹去。整只猫的量子特性无法在实验室实验中得到证明。

然而，莱格特认为，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马蒂尼斯进行的一系列实验表明，确实存在涉及大量粒子的现象，这些粒子共同表现得如量子力学所预测的那样。由许多库珀对组成的宏观系统仍然比猫小许多数量级——但因为实验测量的是适用于整个系统的量子力学性质，对于量子物理学家来说，它与薛定谔想象中的猫相当相似。

这种类型的宏观量子态为使用支配粒子微观世界的现象进行实验提供了新的潜力。它可以被视为大规模的人造原子——一个带有电缆和插座的原子，可以连接到新的测试装置或用于新的量子技术。例如，人造原子被用来模拟其他量子系统并帮助理解它们。

另一个例子是马蒂尼斯随后进行的量子计算机实验，在该实验中，他正是利用了他和其他两位获奖者所展示的能量量子化。他使用具有量子化状态的电路作为承载信息的单位——量子比特。其最低能态和第一激发态分别编码信息0和1。超导电路是在尝试构建未来量子计算机中正在探索的技术之一。

因此，今年的获奖者既为物理实验室的实际应用做出了贡献，也为理论上理解我们的物理世界提供了新信息。

诺贝尔奖官方网站：

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