让量子世界触手可及：宏观量子隧穿与能量量化的诺贝尔物理学奖突破

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，以表彰他们在电路中发现宏观量子力学隧穿和能量量子化的奠基性贡献。这项完成于20世纪80年代的研究，首次在宏观电子系统中观测到了微观量子世界的隧穿效应，证明了由数十亿个粒子组成的超导电路能够作为一个整体展现量子行为。这一突破不仅改写了我们对宏观与微观界限的理解，更为现代超导量子比特技术奠定了理论和实验基础，被誉为所有量子比特的源头。

内容框架与概述

本文首先阐述了量子隧穿效应这一微观世界中最奇特的现象，即粒子有一定概率隧穿其在经典物理学中没有足够能量克服的势垒。长久以来，人们认为这只是单个微观粒子的专属特性，而三位获奖者试图回答的核心问题是：一个由数十亿个粒子组成的宏观物体能否作为一个整体，展现出同样的量子隧穿行为？

为解答这一问题，科学家们选择了超导电路作为实验平台。当某些材料被冷却到极低温度时，电子会形成库珀对并凝聚到同一个量子基态，形成玻色-爱因斯坦凝聚体。通过引入约瑟夫森结这一核心器件，团队成功构建了一个表现为人造原子的宏观量子系统。在1984至1985年间，他们在伯克利的实验室成功观测到了两个决定性的量子现象：能量量子化和宏观量子隧穿。

这些发现的革命性意义在于，它们直接催生了现代量子计算的基础。实验中清晰观测到的两个分立的量子化能级正是量子比特的物理实现，而系统在这些能级之间隧穿的能力则体现了量子叠加态的本质。克拉克开发的超导量子干涉仪为量子计算提供了关键工具，完美解决了如何精确读出量子比特微弱信号的核心工程难题。

核心概念及解读

量子隧穿效应：粒子有一定概率隧穿其在经典物理学中没有足够能量克服的势垒。这一现象在微观世界中已被反复证实，是原子核放射性衰变和现代晶体管工作的基础。三位获奖者的突破在于证明了这一现象不仅存在于微观粒子，也能在由数十亿个粒子组成的宏观系统中被观测到。

超导量子比特：实验中清晰观测到的两个分立的量子化能级，即基态和激发态，构成了量子信息的基本单位。这一工作被称为所有量子比特的源头或祖父，为后来Google开发的transmon和xmon等超导量子比特奠定了概念和实验基础。

约瑟夫森结：由两层超导体和夹在中间的极薄绝缘层构成的微小器件。它在电路中扮演非线性角色，为整个电路的集体量子态创造势能陷阱，使整个电路表现得像一个人造原子，其行为方式与原子核束缚电子的势阱非常相似。

玻色-爱因斯坦凝聚体：当材料进入超导状态后，电子两两配对形成库珀对，这些库珀对像玻色子一样凝聚到同一个最低的量子基态，形成宏观量子态。正是这种集体量子行为，为构建宏观量子物体提供了可能。

基础与技术的共生循环：克拉克为寻找暗物质而开发的基于SQUID的超低噪声量子放大器，完美解决了量子计算中如何精确读出量子比特微弱信号的核心工程难题。这展示了基础科学突破为应用技术创造概念，而应用技术又为实现这些概念提供工具的良性循环。

原文信息

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