今年的诺贝尔物理学奖，如何让人类进一步受益？

源济

今年的诺贝尔物理学奖，如何让人类进一步受益？

*本文为「三联生活周刊」原创内容

2025年10月7日，英国物理学家约翰·克拉克（John Clarke），法国物理学家米歇尔·德沃雷（Michel Devoret）与美国物理学家约翰·马蒂尼斯（John Martinis）因为他们在1985年的实验工作“发现了电路中的宏观量子力学隧穿效应和能量量子化”而获得本年度的诺贝尔物理学奖。

量子力学已经有一百多年的历史。展示量子效应为什么仍然有这么重要的影响？在“量子世界”和“经典世界”之间是否有明显的界限？人类又该如何使用这些“量子工具？”面对这些问题，查尔姆斯理工大学的物理学教授伊娃·奥尔森（Eva Olsson）在诺贝尔奖发布会后接受了本刊的专访。

主笔｜苗千

三联生活周刊：发布会上介绍这三位诺奖得主时，是将他们三人看作是一个整体。你可否简单介绍一下这三人的关系，以及每个人在其中的贡献？

奥尔森：他们突破性的研究工作是在加州大学伯克利分校完成的。克拉克是该项目的教授兼课题负责人，研究重点是利用超导体和约瑟夫森结（Josephson Junction）探索与之相关的现象。马蒂尼斯是他的资深博士生之一；而德沃雷在巴黎获得博士学位后以博士后身份加入了克拉克的课题组。他们对实验电路进行优化和精确测量，克服了很多困难，终于实现了对电路进行有效控制，并且对实验结果进行了深刻的解读。

三联生活周刊：他们做出这项发现大约是在40年前。我们能否说，他们把“量子世界”和“经典世界”之间的边界又向前推进了？或者说，这两者之间真的存在边界吗？

奥尔森：以前我们看到的是量子力学在单个电子或是少数电子对——比如库珀对（Cooper pair）——层面的表现；而现在我们谈论的是数十亿个粒子——比如数十亿个库珀对的量子效应，其中既有量子隧穿效应（tunneling effect），也有能量量子化（energy quantisation）。

在我看来，其中的妙处就在于：当粒子数目极大增加时，我们忽然得到了一些“可以上手”的东西——我们甚至能用肉眼看到它。你记得在发布会上他们展示的那块有九个“人工原子”（artificial atom）的芯片吗？我也看到了那块芯片，真的可以看见它们（人工原子）。

这意味着你把边界从微观、极小的尺度，推到了我们可以操持的宏观尺度。现在我们可以开始研究、并且设计这些宏观的量子力学结构了。

2025年诺贝尔物理学奖颁奖典礼（图｜视觉中国）

三联生活周刊：那么在微观世界和宏观世界之间到底有没有边界呢？

奥尔森：我认为还是有一个边界的——会一直存在一个从所谓的量子力学世界向经典世界过渡的区域。

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。（图源：诺贝尔奖官网）

三联生活周刊：我们又该如何理解这种边界的存在呢？

奥尔森：这就是物理学的基本问题了。过去我们必须在非常小的结构上研究、体验那些被理论预言的量子效应。如今，通过搭建并且精确地控制实验条件，我们就能把那个“小尺度的边界”推到更大的尺度上。

三联生活周刊：在发布会上介绍，这三位实验物理学家受到了约瑟夫森结的隧穿现象的启发，从而取得了发现。你能否介绍一下他们是如何实现这一步关键跨越的？

奥尔森：所谓约瑟夫森效应（Josephson effect），本来是描述单个库珀对的。而之后莱格特（Anthony Leggett，2003年诺贝尔物理学奖得主）在1978年的理论预言，可以把这种效应推广到宏观层面。但是想要真正做到这一点，必须进行非常复杂的实验：把温度降得非常低，同时控制电子噪声、排除热效应，这样才能真正观测到到（在发布会上展示的）那些势垒效应。

在普通导体中，电子相互碰撞；而在超导体中，电子成对形成“库珀对”，电流无阻流动。图中的间隙表示“约瑟夫森结”。库珀对的集体行为可视为单个粒子充满整个电路。量子力学用一个共同波函数描述这种集体现象。（图源：诺贝尔奖官网）

可以说是先有了基于约瑟夫森结的理论预言，还要精心设计整个实验过程，才能最终显现出宏观量子效应。

三联生活周刊：人工原子和量子计算的发展也都受益于这三位诺奖得主在1985年的发现。你能否更详细地讲一讲他们的发现与人工原子和量子计算之间的联系，尤其是对于制造量子比特（qubit）带来的启发？

奥尔森：我们看今年诺贝尔物理学奖的授奖词，会发现除了隧穿，还包括能量量子化。我们在制造量子比特时，在理论上我们希望有0和1两种状态——这正是超导—势垒—超导结构可以实现的。在势垒处，（因为不同的量化能级对应不同的电压，）可以从零电压到达另一个电压。这就是“0”和“1”。这也是量子比特的基础：零电压与某一特定电压之间的量化切换被用作0和1。

更通俗地讲，在进行量子计算时，需要电路给出0和1两种信号。而这三位诺奖得主所发现的能量量子化，就提供了清楚的能级，可以对应到0和1。因此可以说这是一种量子计算的平台。

克拉克、德沃雷和马丁尼斯用超导电路进行实验，电路芯片约1厘米大小。此前隧穿与能量量子化仅在少数粒子系统中观测到，而此实验首次在包含数十亿库珀对的宏观系统中实现。（图源：诺贝尔奖发布会视频）

三联生活周刊：现在我们认识到制造量子计算机非常困难。因为退相干（decoherence）效应，造出单个的量子比特也很难。我们能否从这三位诺奖得主的发现中进一步受益，让量子比特更稳定？

奥尔森：我认为他们的发现主要是给了我们制造量子比特的工具。我自己的研究方向是理解原子结构以及它如何决定材料的性质。要把大量的量子比特连接在一起，你就希望它们性质的完全一致。而量子比特是基于约瑟夫森结制造出来的，这就涉及到了具体的原子结构。其中的挑战在于：你必须把原子结构在原子尺度上做得可控且一致。这就是材料制备上的挑战。我们进行实验的概念源于本届几位诺奖得主的成果，但是在真正操作时，你就会遇到材料层面的问题，必须在工艺上把这些精细的结构真正制造出来。

三联生活周刊：既然我们已经观察到了宏观量子效应，那我们能否期待有一天可以像使用普通技术一样自由地利用量子效应（比如量子计算、人工原子），而不用再担心退相干效应？

奥尔森：退相干和我之前说的材料结构有关。基于约瑟夫森结的量子比特要做在衬底上：金属/氧化物势垒/金属这样的隧穿结结构。退相干常常与结构衬底的性质有关。这是一个材料学问题。在这方面目前已经有所进展，我们在越来越深地理解材料结构与退相干效应的联系。

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。（图源：诺贝尔奖官网）

三联生活周刊：到今年为止，薛定谔方程已经发表近一百年了。我们发现了微观世界是量子化的——一切都是量子化的。这三位实验物理学家的发现能否帮助我们更深入地理解“为什么一切都是量子化的”？

奥尔森：从薛定谔开始一直到莱格特，量子理论指出这些效应可以从微观层面被带到宏观层面。而如果能够把它们在宏观层面展示出来，就意味着我们可以在宏观尺度上制造出出遵从量子力学的结构。当我们能设计并制造出这些结构时，就能研究并控制量子力学现象，从而对量子力学获得更深入的认识。

在我看来，我们之所以理解经典世界，是因为我们能看到它的效应，它是直观的；而量子世界是不直观的。所以，能够造出在宏观层面显现量子效应的结构这件事非常美好——这让我们可以真正操控量子效应。