导 读

刚刚，2025年的诺贝尔物理学奖授予了加州大学伯克利分校约翰·克拉克(John Clark)、米歇尔·H·德沃雷(Michel Devoret)和约翰·马丁尼斯(John Martinis)，以表彰他们在“电路中实现宏观量子隧穿与能级量子化”的发现。”

现场，克拉克得知获奖非常震惊，他说从未想过自己会获得诺贝尔奖。他这样回答《知识分子》、《赛先生》特约编辑王一苇的提问，（今天，我得了诺奖，但是）量子计算机是很多人一起做得工作，（对于年轻人），我想跟他们说：量子领域有大量的发现等着去发掘，有很多办法可以做出很好的发现。

物理学中的一个重要问题是：能够展现量子力学效应的系统最大可以达到什么尺度。今年的诺贝尔奖获得者通过电路实验，在一个尺寸足以置于掌心的系统中，同时展示了量子力学隧穿效应与能量量子化。

量子力学允许粒子通过所谓“隧穿”的过程直接穿越势垒。一旦涉及大量粒子，量子力学效应通常会变得微不足道。获奖者的实验证明，量子力学特性可以在宏观尺度上得以具体呈现。

在1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马丁尼斯利用超导体（即能够无电阻传导电流的元件）构建了一个电子电路，并进行了一系列实验。在该电路中，超导元件被一层薄薄的绝缘材料隔开，这种结构被称为约瑟夫森结。通过精确改进并测量其电路的各种特性，他们得以控制和探索当电流通过时产生的现象。流经超导体的带电粒子共同构成了一个系统，其行为犹如一个遍布整个电路的单一粒子。

这个宏观的类粒子系统最初处于一种无电压的电流流动状态。系统受限于此状态，仿佛被一道无法穿越的势垒所阻挡。实验中，该系统通过隧穿效应成功脱离零电压状态，从而展现了其量子特性。系统状态的改变通过电压的出现而被检测到。获奖者们还证明了该系统的行为遵循量子力学的预测——它是量子化的，意味着它仅吸收或释放特定数量的能量。

他们的研究首次无可辩驳地证明，一个由数十亿对电子组成的、人手可以触摸的“宏观”物体——超导电路，可以像单个原子一样，遵循量子力学的奇异规则。这项工作将量子世界从微观粒子和思想实验的领域，成功带入了可被精确设计和操控的宏观工程系统中，为现代量子计算和量子科学的发展铺平了道路。

自量子力学诞生以来，其结论就一直挑战着人们的直觉。其中最著名的莫过于“薛定谔的猫”思想实验：由于放射性原子核的衰变处于“衰变”与“未衰变”的叠加态，一只与之关联的猫，也因此处在“生”与“死”的叠加态。这个思想实验形象地指出了将量子法则应用到宏观世界是何等荒谬。在现实世界中，我们从未见过一只“既生又死”的猫，这是因为宏观物体与周围环境存在着无法避免的相互作用，这种相互作用会极快地破坏掉精巧的量子叠加态。

然而，一个大胆的问题在20世纪70年代末被物理学家安东尼·莱格特（Anthony Leggett，2003年诺奖得主）提出：我们能否在实验室里，创造出一个“迷你版”的薛定谔的猫？他将目光投向了超导电路，因为其极低的电阻意味着它与环境的耗散耦合非常微弱，这为维持宏观量子态提供了可能。他预言，在超导电路中，或许可以观测到一种被称为“宏观量子隧穿”（Macroscopic Quantum Tunnelling, MQT）的现象。

莱格特的理论构想为实验物理学家们指明了方向，而实现这一构想的决定性工作，正来自于本次获奖的三位科学家。1980年代，在美国加州大学伯克利分校，约翰·克拉克教授与他当时的研究生约翰·马丁尼斯以及来自法国的博士后米歇尔·德沃雷组成了一个强大的团队。他们的目标非常明确：在一个简单的“电流偏置约瑟夫森结”系统中，寻找宏观量子效应存在的确定性证据。这项实验的挑战是巨大的，任何来自外界的微小噪声都可能“加热”系统，其效果会与真正的量子隧穿现象相混淆，导致错误的结论。

为了取得决定性的证据，伯克利小组展现了高超的实验技巧。他们设计并使用了一套包含铜粉微波滤波器在内的复杂滤波链路，对特定频率范围内的噪声实现了惊人的衰减。同时，他们利用一种名为“共振激活”的技术，在不依赖理论拟合的情况下，独立地、原位测量了约瑟夫森结的等离子体频率、阻尼电阻和临界电流等所有关键参数，这使得他们的实验结果可以直接与理论预测进行定量比较，排除了不确定性。

经过不懈的努力，他们最终取得了历史性的突破。实验数据显示，当温度降低到某个临界点以下时，系统的“逃逸”行为便不再依赖于温度，其分布特征与量子隧穿的理论预测完全吻合，这证明了系统的行为是由量子力学主导，而非经典的热激活。更令人震惊的是，他们通过微波光谱技术发现，这个由无数库珀对构成的宏观系统的能量，并非连续变化的，而是存在着像单个原子能级一样分立的、量子化的能级。他们甚至观测到了系统从不同的激发态隧穿出去的现象，其能量间隔与量子力学计算的结果精确相符。

这一系列实验清晰地表明：只要能够与环境充分隔离，即便是大到可以“用手触摸”的电路，其整体行为也会服从量子力学的规律。研究者曾将他们的系统比喻为“宏观原子核”，并设想通过导线将这些“宏观原子核”连接起来，去构建全新的量子系统。克拉克、德沃雷和马丁尼斯的工作，成为量子科学的重要转折点。它不仅证明了宏观量子效应的存在，更展示了人类有能力在实验室中制造并操控这样的体系。

这一发现直接催生了“超导电路可作为人造原子”的思想，使其逐渐成为构建量子计算机最具潜力的平台。如今，全球领先的量子研究团队广泛使用的 Transmon 量子比特，以及极大延长量子相干时间的电路量子电动力学（cQED）架构，其物理学基础都可以追溯到上世纪八十年代这批奠基性实验。从验证一个曾被视作悖论的设想，到开辟一个全新的量子工程领域，他们的研究展示了基础科学如何在数十年后转化为颠覆性的技术资源。

值得一提的是，John Clarke、Michel H. Devoret曾经与东京大学先端科学技术研究中心教授、日本理化学研究所量子计算中心主任中村泰信（Yasunobu Nakamura）共同获得2021年度“墨子量子奖”，获奖理由是表彰他们作为领军人物开创了超导量子电路和量子比特中一系列早期关键技术。

为推动量子信息科技的科学研究特别是第二次量子革命的发展，中国民间企业家们慷慨捐资一亿元成立“墨子量子科技基金会”。基金会设立“墨子量子奖”，自2008年起通过广泛邀请提名和国际专家评审，严格遴选和表彰国际上在量子通信、量子模拟、量子计算和量子精密测量等领域做出杰出贡献的科学家。

诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松表示：“能够见证拥有百年历史的量子力学不断带来新的惊喜，这实在令人欣喜。同时它也极具实用性，因为量子力学是所有数字技术的基石。”

计算机微芯片中的晶体管便是环绕在我们身边、已成熟应用的量子技术之一。今年的诺贝尔物理学奖为发展下一代量子技术，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器，提供了新的机遇。

图说：知识分子、赛先生特约编辑王一苇现场提问

约翰·克拉克 (John Clarke)

John Clarke 出生于 1942 年于英国剑桥，从剑桥大学获得 B.A.（1964 年）、Ph.D.（1968 年），后来于 2005 年获授 Sc.D. 学位。

1968 年，他来到美国加州大学伯克利分校，担任博士后研究员；次年（1969 年）他被聘为物理系教员，正式开启长期的伯克利教学生涯。

在伯克利，他历任助理教授、副教授，到了 1973 年成为正教授。 从 1994 年至 1999 年，他担任 Luis W. Alvarez 纪念实验物理学讲席教授。

同时，在 1969 年至 2010 年期间，他还兼任劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的资深科学家（Senior Faculty Scientist）。

2010 年，Clarke 教授从常任教职退休，成为伯克利大学“研究生院教授”（Professor of the Graduate School, Emeritus）身份，仍然在科研上保持活跃。

在他与伯克利和剑桥之间也保持密切联系：他曾多次回访剑桥，并担任 Christ’s College 的研究员、Clare Hall 访问学者、Churchill College By-Fellow，其后在 2023 年被选为 Darwin College 的荣誉研究员。

在科学研究上，他长期专注于超导物理与超导电子器件，特别是在超导量子干涉器件（SQUIDs）方面取得开创性成果，其应用横跨凝聚态物理、地球物理、医学成像、量子信息等多个领域。

Clarke 教授也获得众多国际荣誉，例如英国皇家学会院士、Comstock 物理奖（1999 年）、Hughes 勋章（2004 年）等。

米歇尔·德沃雷(Michel Devoret)

Michel Henri Devoret 出生于 1953 年法国巴黎。他于 1975 年毕业于巴黎国立高等电信学院，获得工程学位，1982 年在巴黎第十一大学 Orsay 校区获得物理学博士学位。

博士毕业后，他前往美国加州大学伯克利分校，在 John Clarke 的实验室从事博士后研究，主要探索宏观量子隧穿等前沿问题。20 世纪 80 年代中期，他回到法国，在 CEA-Saclay 建立自己的研究团队，与 Daniel Estève 和 Cristian Urbina 合作，开创了“quantronics”（量子电子学）的研究方向，推动了超导电路和单电子器件等领域的发展。他的团队在这一时期完成了隧穿穿越时间测量、单电子泵的发明、单原子电导率测量等多项实验突破，并首次在超导“人工原子”中观测到 Ramsey 干涉条纹。1995 年，他被任命为 CEA-Saclay 的研究总监。

2002 年，Devoret 加入耶鲁大学，担任应用物理学教授，后成为 F. W. Beinecke 教授，并领导 Quantronics Lab。他的研究重点涵盖超导量子比特设计、电路量子电动力学、量子测量与放大器、远程纠缠以及容错量子存储等。在耶鲁，他与 Robert Schoelkopf、Steven Girvin 等合作者一道，推动了 transmon、fluxonium 等新型超导量子比特的诞生，并在量子纠错与量子信息处理方面取得重要成果。2007 至 2012 年间，他还曾在法国高等学术机构 Collège de France 任讲座教授。

在国际学术界，Devoret 享有极高声誉。他先后当选为美国艺术与科学院院士、法国科学院院士，并获得了包括法国科学院 Ampère 奖、Descartes-Huygens 奖、Europhysics-Agilent 奖、John Stewart Bell 奖、Fritz London 纪念奖、Micius 量子奖、以及美国国家科学院 Comstock 物理奖在内的一系列重要荣誉。

目前，Michel H. Devoret 仍活跃在科研一线。他是耶鲁大学的荣休教授，同时担任 Google Quantum AI 的首席科学家，在推动超导量子计算和量子信息处理的发展中继续发挥着重要作用。

约翰·马丁尼斯(John Martinis)

John Martinis 出生于 1958 年，是美国著名物理学家。在加州大学伯克利分校，他于 1980 年获得物理学学士学位，随后在伯克利继续深造，于 1985 年（有些资料说 1987 年）完成博士学位。他的博士研究聚焦于约瑟夫森结的宏观量子隧穿与能级量子化，是他日后进入量子电子器件领域的重要起点。

在完成博士后阶段，他先后在法国 Saclay 的 CEA 实验室和美国国家标准与技术研究院（NIST）工作，参与开发超导器件、SQUID 放大器以及 X 射线微热量计等技术。

2004 年，Martinis 加入加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB），担任实验物理学教职，并曾任 Worster 讲席教授。他在 UCSB 的研究团队长期致力于超导量子比特、量子控制、量子测量以及器件优化等方向，并为未来大规模量子计算机的实现做了大量基础性工作。

2014 年，Martinis 与其团队被 Google Quantum AI 实验室招募，负责超导硬件方向的研究。他所在团队最具代表性的成果之一，是在 2019 年发表在 Nature 的论文《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》，首次宣称实现量子霸权。后来在 2020 年，Martinis 从 Google 的硬件负责职位退出，转为顾问角色，并参与创业公司 Silicon Quantum Computing 与 Qolab 的创建。

在学术荣誉方面，他因在低温物理与超导量子器件上的成绩，获得了 Fritz London 纪念奖（2014 年）和 John Stewart Bell 奖（2021 年）等国际重大奖项。