今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)科學(xué)家約翰·克拉克（John Clarke）、法國(guó)科學(xué)家米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）和美國(guó)科學(xué)家約翰·馬丁尼斯（John Martinis），以表彰他們發(fā)現(xiàn)了電路中的宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)和能量量子化。

約翰·克拉克 米歇爾·德沃雷特 約翰·馬丁尼斯

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量子隧穿與能量量子化

日常生活中，一個(gè)皮球砸到墻面上會(huì)反彈回去；但在量子世界里，電子或電子對(duì)等微觀粒子，撞到一堵看起來(lái)不可逾越的勢(shì)壘墻時(shí)，卻有一定概率出現(xiàn)在墻的另一側(cè)。這被稱為“量子隧穿”。

同時(shí)，我們所處的宏觀世界里，能量、溫度等物理量通?？雌饋?lái)是可連續(xù)變化的；但走進(jìn)量子世界，系統(tǒng)的能量卻像是電梯一樣，只能停在某個(gè)樓層而不能停在樓層中間。普朗克（Max Planck）在1900年通過(guò)黑體輻射發(fā)現(xiàn)：能量按頻率成比例地分成一個(gè)個(gè)最小單位，這種現(xiàn)象被稱為“能量量子化”。

普朗克理論對(duì)黑體輻射現(xiàn)象的解釋

傳統(tǒng)意義上講，這兩種現(xiàn)象都發(fā)生在原子這樣的微小尺度，且要求極低溫環(huán)境，以達(dá)到低熱噪聲的條件。但是今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)研究，卻將這兩種現(xiàn)象在宏觀微米（10-6米）量級(jí)的尺度上實(shí)現(xiàn)，為人們創(chuàng)造宏觀量子系統(tǒng)和探究量子現(xiàn)象指明了道路。

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用宏觀電路人造量子：超導(dǎo)與約瑟夫森結(jié)

1911年，昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬汞在4.2K（-268.95℃）時(shí)出現(xiàn)了電阻消失的現(xiàn)象，稱為“超導(dǎo)”。不過(guò)當(dāng)時(shí)并不理解這種零電阻現(xiàn)象背后的物理原理。昂內(nèi)斯主要因?yàn)閷?duì)低溫物理學(xué)的貢獻(xiàn)，獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯 Heike Kamerlingh Onnes

隨后幾十年間，量子力學(xué)的理論蓬勃發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到：微觀粒子的行為嚴(yán)格遵循量子力學(xué)的基本原理，波粒二象性、量子態(tài)疊加、概率性測(cè)量等并非抽象的數(shù)學(xué)假設(shè)，而是經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的微觀世界本質(zhì)規(guī)律，比如電子可以處于多個(gè)位置的疊加態(tài)。

1957年，巴?。↗ohn Bardeen）、庫(kù)珀（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）三人，首次通過(guò)量子力學(xué)原理，從微觀上揭開了超導(dǎo)這一宏觀量子現(xiàn)象的奧秘：電子配對(duì)后的有序與活動(dòng)。他們提出的BCS理論，把超導(dǎo)態(tài)描述為大量電子兩兩配對(duì)為“庫(kù)珀對(duì)”并形成特殊的“凝聚態(tài)”，就像成千上萬(wàn)對(duì)伴侶按同一節(jié)奏手拉手排列在舞池上，因此可以用一個(gè)統(tǒng)一的“宏觀波函數(shù)”來(lái)描述，使得電流能夠無(wú)阻力地流動(dòng)。正因這項(xiàng)工作，三位科學(xué)家獲得了1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

利用超導(dǎo)的宏觀量子現(xiàn)象，1962年，約瑟夫森（Brian David Josephson）提出了一種特殊的結(jié)構(gòu)：超導(dǎo)層-薄絕緣層-超導(dǎo)層（下圖），稱為“約瑟夫森結(jié)”。無(wú)阻流動(dòng)的庫(kù)珀對(duì)以一定概率無(wú)損耗地跨過(guò)絕緣層流動(dòng)到了對(duì)面的超導(dǎo)層，產(chǎn)生隧穿電流。約瑟夫森也因此構(gòu)想，獲得1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

約瑟夫森結(jié)電路及隧穿電流的示意圖，庫(kù)珀對(duì)（藍(lán)色）從超導(dǎo)的一側(cè)隧穿過(guò)薄絕緣層流動(dòng)到超導(dǎo)的另一側(cè)

幾十年的理論與實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，把“超導(dǎo)”“庫(kù)珀對(duì)”“約瑟夫森結(jié)”變成了真實(shí)的器件：實(shí)驗(yàn)室里可以制造出直徑僅幾微米的約瑟夫森結(jié)，在極低溫的幾十mK（低于-273.1℃）下觀測(cè)到穩(wěn)定的隧穿電流和微波響應(yīng)。這意味著我們可以制造這種特殊的電路，把量子物理現(xiàn)象從微觀帶到宏觀電路中去。

1985年，當(dāng)時(shí)的克拉克教授與其帶領(lǐng)的博士后德沃雷特和博士生馬丁尼斯，在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表了兩篇論文。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)上測(cè)量到了約瑟夫森結(jié)中的隧穿電流以及包含10億個(gè)以上庫(kù)珀對(duì)的超導(dǎo)電路系統(tǒng)的分立量子化能級(jí)。

在第一篇論文的工作中，研究者在電流偏置、零電壓態(tài)的約瑟夫森結(jié)上施加微波，掃描微波頻率并監(jiān)測(cè)響應(yīng)，如吸收增強(qiáng)等變化。結(jié)果僅在若干離散頻率出現(xiàn)明顯吸收峰，證明其能級(jí)的分立與能量的量子化。電路像只能對(duì)特定“舞曲”響應(yīng)的舞團(tuán)，雖然電路里有非常多“舞者”（庫(kù)珀對(duì)），但它們只能“跳同一支舞”。吸收譜線就像是樓梯臺(tái)階，說(shuō)明電路的能量是一級(jí)一級(jí)的，而不是任意連續(xù)的。這也是實(shí)驗(yàn)上第一次觀測(cè)到宏觀系統(tǒng)的能量量子化。

在第二篇的工作中，研究者通過(guò)測(cè)量電壓變化，觀測(cè)到約瑟夫森結(jié)在低溫區(qū)（30mK左右）的逃逸率有明顯的階躍和平臺(tái)，而在高溫區(qū)（100至800mK）仍遵循經(jīng)典的指數(shù)律。逃逸可以這樣理解，把電路比作小球在碗里，科學(xué)家們通過(guò)觀測(cè)宏觀信號(hào)（電壓）去探究小球們（庫(kù)珀對(duì)）怎樣離開碗（勢(shì)阱墻）。當(dāng)環(huán)境比較暖時(shí)，小球靠“熱氣”一點(diǎn)點(diǎn)吹起飛出碗；但當(dāng)環(huán)境非常冷時(shí)，小球反而可能“穿墻”直接出現(xiàn)在碗外面。在高溫區(qū)，庫(kù)珀對(duì)離開的概率會(huì)隨溫度升高而變大，符合經(jīng)典預(yù)期；但在極低溫時(shí)，這個(gè)概率不再受溫度影響，出現(xiàn)平臺(tái)化的表現(xiàn)。這個(gè)現(xiàn)象證明，即使宏觀，只要足夠冷，系統(tǒng)也能以量子的方式“穿越障礙”。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)共同的關(guān)鍵條件是低溫：低溫讓電路處在超導(dǎo)態(tài)，使原子晶格變得安靜有序，晶格扮演一個(gè)牽線搭橋的“月老”，讓平時(shí)到處碰撞和亂逛的單電子相互結(jié)對(duì)，并且運(yùn)動(dòng)行為高度一致，從而能被一個(gè)“宏觀波函數(shù)”像指揮合唱隊(duì)一樣統(tǒng)一描述，遵循量子力學(xué)原理。正是靠這種“宏觀量子一致性”，他們才觀測(cè)到了神奇現(xiàn)象。這一創(chuàng)新的結(jié)果也在后續(xù)被用于構(gòu)建低溫宏觀量子電路，也就是所謂的超導(dǎo)量子比特。此次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也因此頒給了這三位科學(xué)家。

至此，科學(xué)家們向我們證明，量子隧穿不是魔術(shù)，而是量子世界中“粒子同調(diào)的波動(dòng)性”帶來(lái)的必然結(jié)果：波可以“滲透”進(jìn)看起來(lái)不可逾越的障礙。而約瑟夫森結(jié)展示了一個(gè)微觀下大量庫(kù)珀對(duì)在宏觀的兩塊超導(dǎo)體之間隧穿的結(jié)構(gòu)，這讓量子特性可以在宏觀被觀測(cè)到。而由約瑟夫森結(jié)構(gòu)建的電路，其能級(jí)會(huì)出現(xiàn)離散分立，僅對(duì)特殊頻率的微波有響應(yīng)，從而使得宏觀電路像原子一樣具有“樓層式”的能級(jí)結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)能量量子化。

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超導(dǎo)量子比特：應(yīng)用與前沿

1999年，日本物理學(xué)家中村泰信和華人物理學(xué)家蔡兆申通過(guò)使用約瑟夫森結(jié)和電容串聯(lián)，構(gòu)建了“單庫(kù)珀對(duì)盒”，首次觀測(cè)到宏觀量子態(tài)的相干演化：量子振蕩。這種振蕩可以被理解為比特，只不過(guò)不是只有高低電平代表的0和1，而是可控地在量子的|0>和|1>態(tài)中間振蕩，產(chǎn)生疊加。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所研制的 “莊子2.0”超導(dǎo)量子芯片，集成78個(gè)排成二維陣列的Transmon比特（6×13）

2007年，耶魯大學(xué)德沃雷特研究團(tuán)隊(duì)的科赫（Jens Koch）等人設(shè)計(jì)出了Transmon比特：約瑟夫森結(jié)并聯(lián)大電容，在合適參數(shù)取值下，可以使得比特對(duì)電荷等噪聲免疫。Transmon在技術(shù)工藝成熟之后，進(jìn)入了大規(guī)模化原型機(jī)階段：2019年，以今年獲獎(jiǎng)的馬丁尼斯為首的谷歌（Google）團(tuán)隊(duì)公布了基于53個(gè)超導(dǎo)比特的懸鈴木（Sycamore）處理器，并在“隨機(jī)線路采樣”任務(wù)上首次展示了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)也于2021年實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)隨機(jī)線路采樣的“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

近些年，宏觀量子電路從基礎(chǔ)探索迅速發(fā)展為可編程的量子計(jì)算與模擬平臺(tái)。在量子計(jì)算方面，科學(xué)家們探索并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了類似于經(jīng)典計(jì)算與門、非門等的量子邏輯門。使用這些單雙比特門就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意量子模型的構(gòu)建，也為邁向通用量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。在量子模擬方面，超導(dǎo)處理器被用來(lái)模擬多體動(dòng)力學(xué)、凝聚態(tài)等問(wèn)題，能在可控參數(shù)下探索經(jīng)典難以處理的復(fù)雜物理。中國(guó)科學(xué)家在這條路上也貢獻(xiàn)顯著：中國(guó)科學(xué)院物理研究所利用自主研發(fā)的78比特“莊子2.0”超導(dǎo)量子芯片實(shí)現(xiàn)了多體系統(tǒng)預(yù)熱化的量子模擬；浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等在多體局域化、凝聚態(tài)物性模擬上也有多項(xiàng)高影響力的工作。中國(guó)在大尺度集成與系統(tǒng)工程上持續(xù)推進(jìn)，成為國(guó)際宏觀量子電路研究的重要力量。

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原標(biāo)題：2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：超導(dǎo)電路里的“量子穿墻術(shù)” | 科學(xué)世界·熱點(diǎn)

編輯：Wonder

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