中國基金報
天心
2025-10-16 14:18
想象一下，有一顆小球，放在被墻分隔為左右兩側(cè)的房間里。按常理，它們只能在自己這一側(cè)滾動，除非有人在墻中開一個洞。但小球忽然無聲無息地出現(xiàn)在墻的另一邊：沒有門、沒有鑰匙，墻也完好無損，小球卻完成了過墻。
當小球以單個粒子形態(tài)存在時，這一看似不可能的現(xiàn)象成為可能，它就是“量子隧穿”， 是一種量子力學(xué)現(xiàn)象。
量子力學(xué)通常用來解釋微觀世界現(xiàn)象，如單個粒子、原子或電子的行為。當系統(tǒng)變得越來越大，粒子越來越多時，量子效應(yīng)就會被各種相互作用破壞掉，變得幾乎看不見。
例如，一個由眾多分子組成的小球不會表現(xiàn)出量子力學(xué)效應(yīng)，球每次都會撞到墻上反彈，這就是人們熟悉的宏觀世界。
讓量子現(xiàn)象肉眼可見
今年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的三位物理學(xué)家約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis）就在實驗中證明，量子隧穿并不只屬于微觀世界，也可以出現(xiàn)在由無數(shù)粒子組成的宏觀尺度系統(tǒng)中。即特定條件下，原本只在微觀世界中存在的量子現(xiàn)象，在宏觀尺度上展現(xiàn)了出來。
（約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬丁尼斯，因在電路中實現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)和能量量子化方面的貢獻，榮獲2025年諾貝爾物理學(xué)獎。）
具體來說，三位科學(xué)家的獲獎成果是，通過一個精密的超導(dǎo)電子電路，首次在肉眼可見的宏觀尺度上，同時驗證了兩個核心量子特性：量子隧穿和能量量子化。
（圖片來源：瑞典皇家科學(xué)院）
1980年代初，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬丁尼斯利用超導(dǎo)體構(gòu)建了一個電子電路，并進行了一系列實驗。
這些實驗的核心元件是約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）：兩個超導(dǎo)體之間夾著一層極薄的絕緣層。與普通金屬中靠自由電子導(dǎo)電不同，超導(dǎo)電路里是庫珀對以零電阻方式成對流動，整個電路在低溫下可像一個“宏觀類粒子”那樣被整體描述。
（圖片來源：瑞典皇家科學(xué)院）
在超導(dǎo)體內(nèi)，電子有序且無阻力地流動，整個系統(tǒng)如同單一粒子般運行于電路中。這個宏觀的類粒子系統(tǒng)最初處于一種無電壓的電流流動狀態(tài)，系統(tǒng)受限于此狀態(tài)，仿佛被一道無法穿越的勢壘所阻擋。
實驗顯示，系統(tǒng)會通過量子隧穿逃逸到“運行態(tài)”（有電壓態(tài)），并以電壓躍遷作為觀測信號。這是宏觀量子隧穿的直接證據(jù)。更妙的是，實驗還顯示，該系統(tǒng)只能以特定能級吸收或釋放能量，就像在房間里看到小球每次跳上不同高度的臺階，這與量子力學(xué)理論預(yù)測一致。
至此，我們可以這樣說，三人的研究首次證明，宏觀超導(dǎo)電路可作為可以被人類雙手所觸摸到的系統(tǒng)，嚴格遵循了量子力學(xué)。這一發(fā)現(xiàn)在我們熟悉的世界中，為量子世界裝上窗戶，讓平時躲在顯微鏡下的量子現(xiàn)象，直接裸露在我們面前。
三人的發(fā)現(xiàn)，還使量子現(xiàn)象不僅讓量子力學(xué)的抽象原理變得生動，更讓其從微觀走向可設(shè)計、可操控的裝置，成為未來量子計算和量子科學(xué)的基礎(chǔ)。
為“普適量子論”的天平再壓下一格
量子力學(xué)的許多結(jié)論與日常直覺相左，“薛定諤的貓”思想實驗最有名：微觀層面的原子核可同時處于“已衰變/未衰變”的疊加狀態(tài)，在實驗中，這種不確定性“傳染”給盒子里的貓，所以在沒打開盒子前，按理論貓好像既活又死。然而在現(xiàn)實中，既生又死的貓是荒謬的，因為宏觀物體受到環(huán)境等多重因素影響，量子疊加態(tài)往往會消失。
從1928年起，喬治·伽莫夫用量子隧穿解釋了重核的α衰變，把“穿墻而過”變成核物理里的硬概念；此后，量子力學(xué)研究也從單粒子過程走向多粒子協(xié)同，超導(dǎo)系統(tǒng)因其獨特的集體行為進入科學(xué)家視野。
到了20世紀70年代末，2003年諾獎得主安東尼·萊格特拋出設(shè)問：能否在實驗室里做出一只“袖珍版薛定諤之貓”？他看中超導(dǎo)電路與環(huán)境的耗散耦合極弱，更有望維系宏觀量子態(tài)，因此預(yù)言在這類電路中可以直接觀測到“宏觀量子隧穿”。
如今，諾獎得主們的實驗明確顯示：大量粒子可以協(xié)同展現(xiàn)量子行為，且結(jié)果與量子力學(xué)的定量預(yù)測一致——測得的是系統(tǒng)整體的量子特性，這與“量子貓”的思想極為接近。
可以說，三位科學(xué)家的工作把一個長期徘徊于哲學(xué)思辨層面的問題，轉(zhuǎn)化成了一個可以通過實驗數(shù)據(jù)來回答的精確科學(xué)問題。
那么，就本次諾貝爾獎而言，誰的“世界觀”被加分了？
就“世界觀”而言，這些成果為“普適量子論”增加了分量，在無人測量或干擾時，量子態(tài)按薛定諤方程連續(xù)演化，從原子到大型電路遵循同一規(guī)則，無需假設(shè)自然界中有一個神秘的“自動坍縮開關(guān)”。
當然，本次諾獎表彰的是可檢驗的實驗發(fā)現(xiàn)與工程意義，為檢驗或排除各類客觀坍縮模型提供了清晰路線圖，并激勵研究者構(gòu)建更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)來繼續(xù)逼近量子—經(jīng)典邊界。至于測量問題與是否存在“坍縮機制”，仍是開放議題。
百年量子力學(xué)如何規(guī)?；逃?/strong>
本次諾獎頒發(fā)給三位科學(xué)家的量子力學(xué)研究，正值量子力學(xué)誕生百年。
100年前，矩陣力學(xué)和波動力學(xué)的誕生標志著現(xiàn)代量子力學(xué)初步形成。百年之后，量子力學(xué)不僅為基礎(chǔ)科學(xué)提供了深刻啟示，還催生了眾多革命性技術(shù)應(yīng)用。
量子力學(xué)的應(yīng)用史幾乎構(gòu)成現(xiàn)代科技的“隱形底座”：晶體管推動信息革命與集成電路產(chǎn)業(yè)；激光奠定光通信與精密制造；核磁共振成像讓醫(yī)學(xué)影像跨入無創(chuàng)高分辨率時代；原子鐘與全球授時體系成為衛(wèi)星導(dǎo)航與金融清算的時間基準；SQUID（超導(dǎo)量子干涉儀）等超導(dǎo)量子器件已經(jīng)走進腦磁圖等高靈敏生物醫(yī)學(xué)成像。今天的超導(dǎo)量子計算、量子通信與量子傳感，正是追隨這條百年應(yīng)用長鏈開展的“第二次量子革命”。
“當今使用的先進技術(shù)無一不依賴于量子力學(xué)和量子物理學(xué)。在我們身邊就很容易找到例子，比如手機、電腦、相機以及連接我們世界的光纖電纜，”諾貝爾物理學(xué)委員會主席奧勒·埃里克森在頒獎儀式上說，他表示，百年來量子力學(xué)不斷帶來新的驚喜，它大有用處，為數(shù)字技術(shù)提供了基礎(chǔ)。比如計算機芯片中的微晶體管，就是我們身邊成熟的量子技術(shù)實際應(yīng)用的一個例子。
諾貝爾獎評獎委員會還認為，宏觀電路上“看見”量子，將為開發(fā)下一代量子技術(shù)提供機遇，如量子密碼學(xué)、量子計算機和量子傳感器等。
量子力學(xué)的相關(guān)應(yīng)用正從是否可能，轉(zhuǎn)向如何商業(yè)化，百年來，人類對此已經(jīng)開展大量探索。
1999年，日本NEC團隊在“單庫珀對盒”上首次觀測到相干振蕩，證明了固態(tài)電路中可受控操縱量子態(tài)，為可工程化量子比特打開大門；隨后，耶魯團隊提出transmon（透射子）設(shè)計，解決了超導(dǎo)量子計算發(fā)展初期的電荷噪聲問題，成為今日超導(dǎo)量子機的主流路線。
無論是IBM為了向更多用戶提供穩(wěn)定的云服務(wù)，還是谷歌為了挑戰(zhàn)量子計算的極限（量子優(yōu)越性），都需要在耶魯團隊技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化芯片設(shè)計、提高量子門操作的保真度，并探索更大的量子比特互連結(jié)構(gòu)。這一切都可追溯到上世紀80年代三位諾獎得主的開創(chuàng)性實驗設(shè)計。
中國的量子力學(xué)應(yīng)用同樣可圈可點：2017年，以“墨子號”為平臺實現(xiàn)地面1200公里糾纏分發(fā)與星地量子密鑰分發(fā)，證明了衛(wèi)星在全球量子通信的可行性，這項研究利用量子糾纏的特性，成功建立并驗證了遠距離的量子通信鏈路；今年以來，我國刷新百公里量子直接通信速率紀錄、成功構(gòu)建300公里全連接量子直接通信網(wǎng)絡(luò)、完成模塊級量子直接通信設(shè)備搭載火箭的發(fā)射與回收驗收，實現(xiàn)量子通信產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣。
在計算方向上，今年3月，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊聯(lián)合國內(nèi)多家科研機構(gòu)研制的超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之三號”正式對外發(fā)布，其處理“量子隨機線路采樣”問題的速度打破超導(dǎo)體系量子計算優(yōu)越性世界紀錄，比最快的超級計算機快千萬億倍。這些成果意味著中國在通信與計算兩條量子力學(xué)應(yīng)用主線上都跑到第一梯隊。
