诺贝尔奖官方 · 2025-10-08

量子比特的祖父与基础研究格局变迁

摘要

2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯，表彰他们在20世纪80年代发现的宏观量子隧穿和能量量子化现象。这项工作首次证明由数十亿粒子组成的宏观电子系统可以像单一量子粒子一样运作，为现代超导量子比特的诞生奠定了基础。本文将深入解读这一发现的科学原理，梳理量子技术从理论到应用的发展脉络，并剖析Google与贝尔实验室两种企业研究模式的差异，探讨基础科学研究在当代的组织范式与未来走向。

内容框架与概述

本文分为三个部分展开论述。第一部分以通俗科学的方式解读本次诺贝尔奖的核心发现——宏观量子隧穿效应。科学家们通过精心设计的超导电路实验，利用约瑟夫森构建了一个宏观的"人造原子"，成功观测到能量量子化和宏观量子隧穿现象。这两项发现革命性地证明了宏观物体可以展现量子特性，直接催生了量子比特的概念，为现代量子计算奠定了物理基础。

第二部分将这一成就置于更广阔的历史和技术背景中。量子力学过去一个世纪一直是技术创新的强大引擎，晶体管、激光、MRI等改变世界的发明都源于对量子原理的理解。截至2025年，量子技术已在三大战线蓬勃发展：量子计算正从"量子优越性"迈向"量子优势"，最大挑战是实现容错的量子纠错；量子传感利用量子态对环境的敏感性实现超高精度测量；量子通信则通过量子密钥分发提供绝对安全的通信方式。

第三部分深入剖析企业研究模式的演变。两位获奖者与Google的密切联系引发了一个核心问题：Google是否已成为贝尔实验室的现代继承者？通过系统比较发现，两者存在根本性差异。贝尔实验室作为受规制的垄断企业研发部门，享有稳定的"研发税"资金，可以支持长期的"蓝天"基础研究。而Google的研究虽然雄心勃勃，但必须与捍卫其核心广告业务保持一致，面临着激烈的竞争压力和短期回报要求。这代表了21世纪工业研究的新范式——更专注、更具战略性，但也可能缺乏真正自由基础科学探索所需的耐心。

核心概念及解读

宏观量子隧穿：指一个由数十亿粒子组成的宏观物体作为一个整体，协同一致地隧穿能量壁垒的量子现象。在经典物理学中，只有系统获得足够能量才能"翻越"势垒，但量子力学允许粒子以一定概率直接"穿透"势垒。2025年诺贝尔奖获奖者首次证明这种微观尺度的奇特现象也可以在宏观尺度上观测到，即一个手可握住的电子电路可以像单一量子粒子一样展现隧穿行为，这彻底改变了我们对宏观世界量子行为的理解。

超导量子比特：基于超导电路实现的量子信息基本单位。获奖者们发现的能量量子化现象——宏观电路只在特定离散频率下吸收能量并在能级间跃迁——正是量子比特的物理实现。他们的工作被公认为"所有量子比特的源头"和"量子比特的祖父"。超导量子比特通过约瑟夫森结在电路中创造非线性的势能陷阱，使整个电路表现得像一个"人造原子"，其基态和激发态可以编码量子信息。

贝尔实验室模式：指20世纪中叶贝尔实验室作为垄断企业AT&T研发部门所形成的基础研究范式。其资金来源于对全国电话服务征收的稳定"研发税"，完全免受短期市场压力，能够进行长达数十年的基础科学投资。这种模式孕育了跨学科合作和"蓝天研究"文化，产出了晶体管、激光、UNIX、C语言等改变世界的发明，但其黄金时代终结于1982年AT&T因反垄断诉讼被分拆。

量子纠错：通往实用量子计算的最大障碍。量子比特极其脆弱，容易因环境噪声而退相干失去信息。量子纠错通过用多个"物理量子比特"编码一个更稳定的"逻辑量子比特"来对抗错误，但开销极大——可能需要数百甚至数千个物理比特才能构建一个逻辑比特。目前Google专注表面码，IBM开发重六边形晶格结构，微软则押注拓扑量子比特从硬件层面根本性解决问题。行业普遍认为2027-2029年将是量子纠错技术初步集成的关键时期。

企业研究范式转移：从贝尔实验室到Google的转变反映了基础研究组织模式的深刻变迁。贝尔实验室的垄断地位使其拥有耐心且由好奇心驱动的资本，允许以基础发现为首要目标的学术自由文化。而Google虽然资金庞大，但其核心业务面临持续威胁，迫使研究活动必须与捍卫核心业务保持一致。这并非Google在"成为贝尔实验室"上失败，而是成为一个为竞争而非垄断环境优化的完全不同实体。