2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主

2025年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)再一次花落“量子力學(xué)”。

量子力學(xué)講的是微觀世界的規(guī)律，電子、原子這些小東西會(huì)做一些看似“違背常識(shí)”的事情，比如單個(gè)粒?有時(shí)會(huì)施展“穿墻術(shù)”，出現(xiàn)在屏障的另?側(cè)——而今年的諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)得主們讓“量子怪事”出現(xiàn)在肉眼可見的世界里。

獲獎(jiǎng)?wù)呤?0年前的一支“夢(mèng)之隊(duì)”——不是大佬之間聯(lián)手攻關(guān)，而是“導(dǎo)師+博士后+博士生”的師門組合。

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布現(xiàn)場(chǎng) / 新華社記者 彭子洋 攝

40年前，43歲的約翰·克拉克，32歲的米歇爾·H·德沃雷特，27歲的約翰·M·馬蒂尼斯，利用超導(dǎo)體構(gòu)成的電子電路進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，在宏觀尺度上揭示了量子物理學(xué)的運(yùn)作。

量子物理學(xué)雖然神秘，但現(xiàn)實(shí)已有諸多應(yīng)用。

晶體管、半導(dǎo)體芯片是量子技術(shù)現(xiàn)有的成熟運(yùn)用，“我們的發(fā)現(xiàn)是量子計(jì)算的基礎(chǔ)……手機(jī)能夠發(fā)揮作用的根本原因之一就是因?yàn)檫@些工作”，克拉克在諾獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)接受電話采訪時(shí)說(shuō)。

量子力學(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)，但它不止如此。諾貝爾委員會(huì)表示，3位獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ鳛殚_發(fā)下一代量子技術(shù)打開了窗口，包括量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器等。

在3位獲獎(jiǎng)?wù)弋?dāng)中，約翰·M·馬蒂尼斯最負(fù)盛名。他不只是個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，還是個(gè)極其注重應(yīng)用的技術(shù)專家，堪稱“物理學(xué)家中的工程師”。

圖為約翰·M·馬蒂尼斯

從博士開始，他就以極高的專注度深耕量子計(jì)算，為谷歌證明了“量子霸權(quán)”，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)6年“肝”出了200多篇論文，又為了“造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)”的人生目標(biāo)，而與之分道揚(yáng)鑣。

從“量子穿墻術(shù)”到“量子比特”

在許多采訪當(dāng)中，馬蒂尼斯都提到一本對(duì)他影響頗深的書《從零到一》。

這是一本商業(yè)哲學(xué)的書，其核心觀點(diǎn)可以總結(jié)為：未來(lái)的進(jìn)步在于“垂直進(jìn)步”，即從0到1的創(chuàng)造，而非“水平進(jìn)步”，即從1到多的復(fù)制。

對(duì)馬蒂尼斯而言，他在量子物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)與實(shí)踐也是從零到一的過(guò)程。

40年前，馬蒂尼斯還是個(gè)博士研究生，但那個(gè)改變他職業(yè)生涯的實(shí)驗(yàn)就已成形。

時(shí)年27歲的馬蒂尼斯師從克拉克——一個(gè)探索超導(dǎo)體的量子特性、風(fēng)格穩(wěn)健的導(dǎo)師，目睹他對(duì)待測(cè)量一絲不茍，實(shí)驗(yàn)室里電線盤繞整齊，儀器標(biāo)簽清晰，他對(duì)精準(zhǔn)的著迷，讓伯克利的低溫實(shí)驗(yàn)室成為物理學(xué)中最精密的測(cè)試場(chǎng)所。

也是在這里，馬蒂尼斯認(rèn)識(shí)了32歲的博士后研究員米歇爾·H·德沃雷特，后者喜歡問(wèn)“如果……會(huì)怎樣？”——這個(gè)問(wèn)題能激發(fā)新的想法，也能讓實(shí)驗(yàn)在無(wú)數(shù)次失敗后依然保持活力。

圖為米歇爾·H·德沃雷特

馬蒂尼斯負(fù)責(zé)建造、調(diào)試設(shè)備，直到它完全按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的需求運(yùn)行，對(duì)工程和技術(shù)十分敏感。

他們的目標(biāo)看似簡(jiǎn)單：探究宏觀系統(tǒng)是否能像量子系統(tǒng)一樣運(yùn)作。

他們的發(fā)現(xiàn)令人震驚。

量子力學(xué)的奇異之處在于它完全打破了我們對(duì)“常識(shí)”的認(rèn)知。在微觀世界中，粒子可以在沒有足夠能量的情況下，穿越一個(gè)原本不可能跨越的障礙。這個(gè)看似“不可能”的現(xiàn)象被科學(xué)家們稱為量子隧穿，它使得電子、原子等微小粒子能夠?qū)崿F(xiàn)“穿墻”——出現(xiàn)在屏障的另一側(cè)。

然而隨著量子規(guī)模擴(kuò)大到一定值，穿墻術(shù)會(huì)失效，變得像宏觀世界當(dāng)中的網(wǎng)球一樣，碰到墻壁就遇阻反彈。

量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)

而在實(shí)驗(yàn)室里，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特與約翰·馬蒂尼斯所做的突破，正是將這種“量子穿墻術(shù)”轉(zhuǎn)化為可以在肉眼可見的世界中觀察到的現(xiàn)象。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)尺寸約為一厘米的芯片上的超導(dǎo)電路，竟然像一個(gè)“巨型原子”一樣，展現(xiàn)了量子力學(xué)的最奇異特性——能量量子化和量子隧穿。

由數(shù)十億個(gè)協(xié)同作用的庫(kù)珀對(duì)（注：兩個(gè)電子在特定條件下結(jié)成對(duì)）組成的超導(dǎo)電路可以從一種能態(tài)“隧穿”到另一種能態(tài)，從而在本不該存在電壓的地方產(chǎn)生電壓——這就像電路穿過(guò)了一堵看不見的墻。

在普通的導(dǎo)體中，電子之間會(huì)相互碰撞，同時(shí)也會(huì)與導(dǎo)體材料發(fā)生碰撞。當(dāng)一種材料變成超導(dǎo)體時(shí)，電子會(huì)成對(duì)結(jié)合，形成庫(kù)珀對(duì)，并且形成一種沒有電阻的電流。庫(kù)珀對(duì)可以表現(xiàn)得像一個(gè)單一的粒子，充滿了整個(gè)電路

理論物理學(xué)家安東尼·萊格特指出：“這表明，量子世界的奇異行為不會(huì)隨著規(guī)模的擴(kuò)大而消失?！边@一洞見徹底改變了量子研究，將微觀世界的量子物理學(xué)規(guī)則帶入了宏觀世界的電路和電線當(dāng)中，不僅打破了微觀與宏觀之間的界限，還為量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

科學(xué)家可以據(jù)此發(fā)明“人造原子”作為量子器件的原型，這些器件可以通過(guò)操縱能量來(lái)處理信息——馬蒂尼斯此后正是利用這一原理創(chuàng)造了“超導(dǎo)量子比特”，即量子計(jì)算機(jī)的基本單元，為開發(fā)“下一代數(shù)字技術(shù)”鋪路。

加入谷歌，證明“量子霸權(quán)”

拿了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)不是馬蒂尼斯唯一的人生高光。

在此之前，他更為人熟知的身份是谷歌量子計(jì)算機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者。2014年，他帶著團(tuán)隊(duì)加入了谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室，著手開發(fā)量子計(jì)算機(jī)。

2019年，馬蒂尼斯團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了名為Sycamore的量子處理器，并發(fā)表了一篇標(biāo)志性的論文，宣布Sycamore在約200秒內(nèi)完成了一項(xiàng)經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)需要1萬(wàn)年才能完成（或?qū)嶋H上無(wú)法在合理時(shí)間內(nèi)完成）的計(jì)算任務(wù)，由此實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

Sycamore量子處理器

量子霸權(quán)是理論物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾提出來(lái)的說(shuō)法，說(shuō)的是：在特定任務(wù)上，量子計(jì)算機(jī)的性能壓倒性地超越了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，甚至超越了傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。概括地說(shuō)，就是證明量子機(jī)器能做傳統(tǒng)機(jī)器做不到的事情。

這一消息不僅震驚了剛剛起步的量子計(jì)算行業(yè)，也震動(dòng)了整個(gè)科學(xué)界。許多人曾預(yù)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”還需要幾年甚至幾十年的時(shí)間。

盡管“量子霸權(quán)”這一術(shù)語(yǔ)引發(fā)了IBM等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的非議——認(rèn)為谷歌夸大了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬該任務(wù)所需的時(shí)長(zhǎng)，聲稱優(yōu)化算法可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成——但馬蒂尼斯團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)仍被認(rèn)為是量子計(jì)算從理論走向工程實(shí)踐的里程碑。

然而，“量子霸權(quán)”的任務(wù)必須專門設(shè)計(jì)，而不是直接解決一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的問(wèn)題，主要作用是“概念證明”，證明量子技術(shù)原理的可行性和量子計(jì)算的巨大潛力。

馬蒂尼斯也不滿足于此，而是構(gòu)建能夠真正幫助人類的量子計(jì)算機(jī)，他知道，實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)才可能是行業(yè)成功的關(guān)鍵。

谷歌量子計(jì)算機(jī)示意圖

“當(dāng)我進(jìn)行基礎(chǔ)研究時(shí)，知道最終會(huì)有一個(gè)應(yīng)用程序、一個(gè)設(shè)備或一個(gè)系統(tǒng)需要構(gòu)建，這對(duì)我來(lái)說(shuō)非常有益。對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)自然而然的過(guò)程，我會(huì)從最基本的問(wèn)題開始認(rèn)真思考，到底我們需要知道什么才能真正讓某個(gè)東西發(fā)揮作用？”馬蒂尼斯受訪時(shí)說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)實(shí)際上有很多實(shí)際應(yīng)用。量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)實(shí)際用途是幫助研究人員更好地理解化學(xué)，這可能會(huì)推動(dòng)從醫(yī)學(xué)到材料科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的新進(jìn)展。

“我考慮將它用于量子化學(xué)——這實(shí)際上是理查德·費(fèi)曼最初提出的量子計(jì)算機(jī)方案——它可以映射分子中電子通過(guò)原子相互作用的物理過(guò)程，”馬丁尼斯說(shuō)，“這是一個(gè)經(jīng)典難題，你可以利用量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?！?/p>

1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼

馬蒂尼思相信，量子計(jì)算機(jī)也有潛力幫助研究可持續(xù)能源技術(shù)，例如更高效的電池，“更好的電池可能會(huì)真正改變世界經(jīng)濟(jì)”。又或者是優(yōu)化飛機(jī)航線和資源路線，“哪怕是比現(xiàn)在好5%或10%的解決方案，也足以為企業(yè)節(jié)省大量的資金和成本。這真的很有趣，值得人們?nèi)パ芯??！?/p>

他樂觀地認(rèn)為，量子計(jì)算最終將惠及越來(lái)越多的人，而量子技術(shù)有潛力被一系列企業(yè)商業(yè)化，而不僅僅是大型科技公司。

“我的希望和夢(mèng)想是，如果我們能建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，就能真正開始解決這些實(shí)際的問(wèn)題。我們大概知道這應(yīng)該可行?！彼f(shuō)。

出走谷歌，實(shí)用主義者的分歧

當(dāng)谷歌宣布實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)時(shí)，谷歌老板桑達(dá)爾·皮查伊特別提到了馬蒂尼斯的名字，他把這個(gè)歷史性成就比作萊特兄弟的第一次試飛。

此后僅僅過(guò)了半年，馬蒂尼斯意外地從谷歌辭職。

在此期間，他被調(diào)離領(lǐng)導(dǎo)職位，降為顧問(wèn)，最終馬蒂尼斯離開了谷歌。

他對(duì)媒體描述了自己的復(fù)雜處境，以及最終決定辭職的原因。

他透露幾年來(lái)，他所領(lǐng)導(dǎo)的硬件團(tuán)隊(duì)內(nèi)部一直關(guān)系緊張，起點(diǎn)就是他們提出要進(jìn)行量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候。

馬蒂尼斯的個(gè)人研究風(fēng)格強(qiáng)調(diào)專注于重要問(wèn)題，就像量子霸權(quán)實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)里程碑，極具挑戰(zhàn)性但在他看來(lái)仍然可行。但對(duì)團(tuán)隊(duì)而言，專注卻很難。

馬蒂尼斯在谷歌實(shí)驗(yàn)室前

“我認(rèn)為團(tuán)隊(duì)中的人們很難專注于量子霸權(quán)，因?yàn)檫@意味著他們無(wú)法從事其他想做的事情，最重要的是，我們可能會(huì)失敗?！瘪R蒂尼斯描述了團(tuán)隊(duì)內(nèi)的分歧和沖突，“絕對(duì)樂觀的人很少見……我肯定想創(chuàng)造一臺(tái)具有特定設(shè)計(jì)的量子計(jì)算機(jī)，就想著讓我們專注于此，讓它發(fā)揮作用……我認(rèn)為我在物理學(xué)上的成功正是源于這種特質(zhì)”。

矛盾的是，“一旦我們實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)，就不需要那么高度的專注了，大家自然會(huì)想要更多的獨(dú)立性……看到大家的緊張關(guān)系，他們（團(tuán)隊(duì)）和管理層認(rèn)為，最好還是讓我不再領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)項(xiàng)目”。

馬蒂尼斯嘗試以顧問(wèn)身份工作了一段時(shí)間，他在自己的工作范圍里卓有成效，但進(jìn)行到連接量子比特系統(tǒng)時(shí)，不愉快的分歧再次出現(xiàn)。

在這個(gè)環(huán)節(jié)里，以可擴(kuò)展且成本合理的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)至關(guān)重要，馬蒂尼斯與一位“沒有實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的理論家”意見相左。馬蒂尼斯指出，對(duì)方的解決方案行不通，但對(duì)方不愿意放棄；他轉(zhuǎn)而和管理層哈特·穆特討論，希望放棄一個(gè)在他看來(lái)沒有意義的項(xiàng)目，但沒有得到支持，哈特·穆特希望繼續(xù)嘗試兩個(gè)項(xiàng)目。

哈特穆特

“我覺得這整整一年的過(guò)程讓我非常不舒服，我實(shí)在無(wú)法承受，因?yàn)槲议L(zhǎng)期以來(lái)一直在做硬件方面的決策。我想我知道讓技術(shù)朝著明確方向發(fā)展的最佳方法?！瘪R蒂尼斯坦言，“我很難過(guò)，因?yàn)槲艺娴囊詾槲覀兛梢砸黄饎?chuàng)造一些美好的事物，但你知道，事情并不總是如你所愿?！?/p>

之后，馬蒂尼斯獨(dú)自離開了谷歌，移居澳大利亞，加入一家量子計(jì)算的初創(chuàng)公司SQC。當(dāng)時(shí)，SQC正專注于擴(kuò)大其技術(shù)平臺(tái)，推進(jìn)商用量子計(jì)算機(jī)，而那正是馬蒂尼斯在谷歌時(shí)一心想做的。

“我選擇來(lái)到SQC，是因?yàn)樗麄兛粗卦蛹?jí)制造的獨(dú)特方法。世界上沒有其他人能做到他們的能力?！瘪R蒂尼斯尼斯教授解釋自己的選擇，“打造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)是我畢生的夢(mèng)想。如果我們能夠成功大規(guī)模建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，這將是一項(xiàng)具有巨大影響力的變革性成就，將對(duì)人類產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！?/p>

量子計(jì)算初創(chuàng)公司SQC團(tuán)隊(duì)

馬蒂尼斯的離職不是一個(gè)失意敗走的故事，而是一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家兼技術(shù)工程師尋找發(fā)揮其天賦、繼續(xù)完成其科學(xué)使命的新篇章。

10月8日，在接到諾貝爾獎(jiǎng)組委會(huì)的電話里，馬蒂尼斯回憶起40年前，懷念和克拉克、德沃雷特一起相互激發(fā)想法、朝著一個(gè)目標(biāo)各自貢獻(xiàn)的時(shí)光。

盡管離開谷歌，另行打造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)充滿挑戰(zhàn)，但他說(shuō)自己享受奔著一個(gè)明確的目標(biāo)而思考的過(guò)程——我們需要做哪些工作、需要和哪些人合作才能造出一臺(tái)商業(yè)上可行的量子計(jì)算機(jī)。

在電話最后，馬蒂尼斯概括自己沿著“量子計(jì)算”一路向前的職業(yè)生涯。

無(wú)論是40年前為他帶來(lái)眼前諾貝爾獎(jiǎng)的研究，還是加入谷歌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以實(shí)驗(yàn)證明“量子霸權(quán)”，抑或是出走谷歌，繼續(xù)打造量子計(jì)算機(jī)，其實(shí)都是追求：在對(duì)的時(shí)間、對(duì)的地方（公司），與對(duì)的人，用對(duì)的技術(shù)一起工作。

作者 |施晶晶

編輯 |向現(xiàn)

值班主編 | 張來(lái)

排版 | 阿車