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機器之心編輯部

剛剛，本年度的諾貝爾物理學獎得主正式揭曉：美國加州大學John Clarke、美國耶魯大學Michel H. Devoret、美國加州大學John M. Martinis。獲獎理由是「發(fā)現(xiàn)電路中的宏觀量子力學隧穿和能量量子化」。

具體來說，這三位諾貝爾獎得主通過一系列實驗證明，量子世界的奇異特性可以在一個大到可以握在手中的系統(tǒng)中具體化。他們的超導電子系統(tǒng)可以從一種狀態(tài)隧穿到另一種狀態(tài)，就像直接穿過一堵墻一樣。他們還證明，該系統(tǒng)能夠吸收和釋放特定大小的能量，正如量子力學所預測的那樣。

諾貝爾獎頒獎機構在一份聲明中表示：「今年的諾貝爾物理學獎為開發(fā)下一代量子技術提供了機會，包括量子密碼學、量子計算機和量子傳感器?！?/p>

而 John Clarke 在發(fā)布會上回答記者問時表示，得知自己獲得該獎項時「完全震驚了?！?/p>

「我們根本沒有意識到這可能成為諾貝爾獎的基礎」，John Clarke 在談到他們 20 世紀 80 年代在加州大學伯克利分校進行的研究時說道。

一系列開創(chuàng)性的實驗

量子力學描述的是單個粒子尺度上的重要特性。在量子物理學中，這些現(xiàn)象被稱為微觀現(xiàn)象 ，它們甚至比光學顯微鏡所能觀察到的還要小得多。這完全不同于由大量粒子組成的宏觀現(xiàn)象。

例如，一個日常球體是由天文數(shù)字般的分子構成，它不表現(xiàn)出任何量子力學效應。我們知道，每次把球扔到墻上，它都會反彈。然而，單個粒子有時會直接穿過其微觀世界中等效的屏障，出現(xiàn)在另一側。這種量子力學現(xiàn)象被稱為隧穿效應

今年的諾貝爾物理學獎表彰了那些展現(xiàn)如何在宏觀尺度上觀察到量子隧穿效應的實驗，這些實驗涉及許多粒子。1984 年和 1985 年，John Clarke、Michel H. Devoret 和 John M. Martinis 在加州大學伯克利分校進行了一系列實驗。

他們構建了一個包含兩個超導體的電路 —— 超導體可以在沒有任何電阻的情況下傳導電流。他們用一層完全不導電的薄材料將它們隔開。在這項實驗中，他們展示了能夠控制和研究一種現(xiàn)象：超導體中的所有帶電粒子都表現(xiàn)出一致的行為，就好像它們是充滿整個電路的單個粒子一樣。

這個類粒子系統(tǒng)被困在一種無電壓、有電流流動的狀態(tài) —— 在這個狀態(tài)下，它沒有足夠的能量逃脫。

而在實驗中，該系統(tǒng)能利用隧穿效應逃脫零電壓狀態(tài)，并產(chǎn)生電壓，從而展現(xiàn)出其量子特性。兩位獲獎者還證明了該系統(tǒng)是量子化的，這意味著它只能吸收或釋放特定數(shù)量的能量。

研究發(fā)展

這幾位諾獎得主擁有數(shù)十年來發(fā)展起來的概念和實驗工具。量子物理學與相對論一起構成了現(xiàn)代物理學的基礎，研究人員在過去一個世紀里一直在探索它的含義。

單個粒子的隧穿能力是眾所周知的。1928 年，物理學家喬治?伽莫夫（George Gamow）意識到，隧穿效應是某些重原子核傾向于以特定方式衰變的原因。原子核內部力的相互作用在其周圍形成一道屏障，將其中的粒子束縛住。然而，盡管如此，原子核的一小部分有時會分裂出來，移出屏障并逃逸 —— 留下一個已經(jīng)轉化為其他元素的原子核。如果沒有隧穿效應，這種類型的核衰變就不可能發(fā)生。

隧穿效應是一個量子力學過程，其中必然存在概率因素。某些類型的原子核擁有高而寬的勢壘，因此原子核碎片可能需要很長時間才能出現(xiàn)在勢壘之外，而其他類型的原子核則更容易衰變。如果我們只觀察單個原子，就無法預測何時會發(fā)生隧穿效應，但通過觀察大量同類型原子核的衰變，我們可以測量隧穿效應發(fā)生前的預期時間。描述隧穿效應最常見的方式是使用半衰期的概念，即樣本中一半原子核衰變所需的時間。

物理學家們很快就開始思考，是否有可能研究一種同時涉及多個粒子的隧穿現(xiàn)象。一種新型實驗方法源于某些材料在極冷時產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。

在普通導電材料中，電流流動是因為電子可以自由地穿過整個材料。在某些材料中，穿過導體的單個電子可能會被組織起來，形成一種同步的「舞蹈」，流動時沒有任何阻力。這種材料就變成了超導體，電子成對地結合在一起。這些電子被稱為庫珀對，以萊昂?庫珀（Leon Cooper）的名字命名，他與約翰?巴?。↗ohn Bardeen）和羅伯特?施里弗（Robert Schrieffer）一起詳細描述了超導體的工作原理（ 1972 年諾貝爾物理學獎 ）。

庫珀對的行為與普通電子完全不同。電子具有高度的完整性，并且喜歡彼此保持一定距離 —— 如果兩個電子具有相同的性質，它們就不能位于同一位置。例如，我們可以在原子中看到這種情況，其中電子將自己分成不同的能級，稱為殼層。然而，當超導體中的電子成對結合時，它們會失去一些個性；雖然兩個獨立的電子總是不同的，但兩個庫珀對可以完全相同。這意味著超導體中的庫珀對可以被描述為一個單元，一個量子力學系統(tǒng)。用量子力學的語言來說，它們被描述為一個波函數(shù)。這個波函數(shù)描述了在給定狀態(tài)和給定性質下觀察系統(tǒng)的概率。

如果將兩個超導體連接在一起，并在它們之間形成一層薄薄的絕緣層，就會形成約瑟夫森結。該元件以布萊恩?約瑟夫森（Brian Josephson） 的名字命名，他對該結進行了量子力學計算。他發(fā)現(xiàn)，當考慮結兩側的波函數(shù)時，會出現(xiàn)有趣的現(xiàn)象（ 1973 年諾貝爾物理學獎 ）。約瑟夫森結很快便找到了應用領域，包括對基本物理常數(shù)和磁場的精確測量。

這一構造也為以新的方式探索量子物理學的基本原理提供了工具。 安東尼?萊格特 （Anthony Leggett， 2003 年諾貝爾物理學獎獲得者 ）就是其中一位，他關于約瑟夫森結宏觀量子隧穿的理論工作啟發(fā)了新型實驗。

這個研究團隊的成果

這些課題與 John Clarke 的研究興趣完美契合。他曾任美國加州大學伯克利分校教授，1968 年在英國劍橋大學獲得博士學位后，他移居加州大學伯克利分校。在加州大學伯克利分校，他組建了自己的研究團隊，專注于利用超導體和約瑟夫森結探索一系列現(xiàn)象。

John Clarke，1942 年出生于英國劍橋。1968 年獲英國劍橋大學博士學位?，F(xiàn)為美國加州大學伯克利分校教授。

20 世紀 80 年代中期，Michel Devoret 在巴黎獲得博士學位后，以博士后身份加入了 John Clarke 的研究小組。該小組還包括博士生 John Martinis。他們共同承擔了演示宏觀量子隧穿效應的挑戰(zhàn)。實驗裝置必須極其謹慎和精確，才能屏蔽所有可能影響它的干擾。他們成功地改進并測量了電路的所有特性，從而能夠對其進行更深入的了解。

Michel Devoret，1953 年出生于法國巴黎。1982 年獲法國巴黎第十一大學博士學位?，F(xiàn)任耶魯大學和加州大學圣巴巴拉分校教授。

John Martinis，1958 年出生。1987 年獲加州大學伯克利分校博士學位。現(xiàn)為加州大學圣巴巴拉分校教授。

為了測量量子現(xiàn)象，他們向約瑟夫森結通入微弱電流，并測量了電壓，該電壓與電路中的電阻有關。正如預期的那樣，約瑟夫森結上的電壓最初為零。這是因為系統(tǒng)的波函數(shù)被封閉在一個不允許電壓產(chǎn)生的狀態(tài)。然后，他們研究了系統(tǒng)隧穿出該狀態(tài)并產(chǎn)生電壓所需的時間。由于量子力學包含偶然因素，他們進行了多次測量，并將結果繪制成圖表，從中可以讀取零電壓狀態(tài)的持續(xù)時間。這與原子核半衰期的測量基于大量衰變實例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)類似。

隧穿效應表明，實驗裝置的庫珀對在同步運動中表現(xiàn)得像一個巨型粒子。這幾位研究者發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有量子化的能級，進一步證實了這一點。量子力學得名于微觀過程中能量被分解成獨立的能量包（即量子）這一現(xiàn)象。獲獎者將不同波長的微波引入零電壓態(tài)。其中一些被吸收，系統(tǒng)隨后躍遷至更高的能級。

這表明，當系統(tǒng)能量更高時，零電壓態(tài)的持續(xù)時間更短 —— 這正是量子力學的預測。被阻擋在屏障后的微觀粒子也以同樣的方式運行。

成果的理論和實踐價值

這個實驗對理解量子力學意義重大。其他類型的量子力學效應在宏觀尺度上得到證實，它們是由許多微小的個體及其各自的量子特性組成的。這些微觀成分組合在一起，產(chǎn)生了諸如激光、超導體和超流體等宏觀現(xiàn)象。然而，這個實驗卻從一種本身就是宏觀的狀態(tài)中，以大量粒子的共同波函數(shù)形式，創(chuàng)造了一種宏觀效應 —— 可測量的電壓。

安東尼?萊格特（Anthony Leggett）等理論家將諾貝爾獎得主的宏觀量子體系與埃爾溫?薛定諤（Erwin Schr?dinger）著名的思想實驗進行了比較。薛定諤將一只貓關在盒子里，如果我們不往盒子里看，這只貓既活著又死了。（埃爾溫?薛定諤于 1933 年獲得諾貝爾物理學獎 。）他的思想實驗旨在揭示這種情形的荒謬性，因為量子力學的特殊性質在宏觀尺度上通常會被抹去。整只貓的量子特性無法在實驗室實驗中得到證實。

然而，萊格特認為，John Clarke、Michel H. Devoret 和 John M. Martinis 進行的一系列實驗表明，存在涉及大量粒子的現(xiàn)象，這些粒子的共同行為正如量子力學所預測的那樣。由許多庫珀對組成的宏觀系統(tǒng)仍然比貓小很多個數(shù)量級 —— 但由于實驗測量的是整個系統(tǒng)的量子力學特性，因此對于量子物理學家來說，它與薛定諤的假想貓非常相似。

這種宏觀量子態(tài)為利用控制粒子微觀世界的現(xiàn)象進行實驗提供了新的潛力。它可以被視為一種大規(guī)模的人造原子—— 一個帶有電纜和插座的原子，可以連接到新的測試裝置或用于新的量子技術。例如，人造原子可用于模擬其他量子系統(tǒng)并幫助理解它們。

另一個例子是 Martinis 隨后進行的量子計算機實驗，他正是利用了他和其他兩位獲獎者所展示的能量量子化原理。他使用一個以量子態(tài)為信息承載單位的電路 —— 量子比特（qbit）。最低能態(tài)和向上的第一步分別表示為零和一。超導電路是未來量子計算機構建過程中正在探索的技術之一。

因此，今年的獲獎者不僅為物理實驗室?guī)砹藢嶋H效益，還為從理論上理解物理世界提供了新的信息。

https://www.youtube.com/watch?v=m9FUkAis62s

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/