刚刚，2025年诺贝尔物理学奖揭晓！量子计算成最大赢家

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  新智元报道  

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刚刚，2025年诺贝尔物理学奖公布！

科学家John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis三人获奖，以表彰他们「发现电路中的宏观量子力学隧道效应和能量量子化」。

对此，诺贝尔物理学奖评审委员会主席Olle Eriksson激动得表示：

计算机微芯片中的晶体管就是我们日常生活中已广泛应用的量子技术实例。

今年的诺贝尔物理学奖为新一代量子技术的发展奠定了基础，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器等领域。

今年奖金总额达1100万瑞典克朗（约835万元人民币），由三位获奖者平分。

2025年诺贝尔物理学奖得主John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis，通过一系列实验证明，量子世界的奇异特性可以在一个大到足以置于掌中的体系中具体展现。

他们的超导电路系统能够实现状态间的隧穿，如同径直穿墙而过。

与此同时，系统还会以特定大小的能量份来吸收和释放能量，这与量子力学的预言完全一致。

量子力学描述的特性，通常仅在单个粒子的尺度上才具有显著意义。

在量子物理学中，这些现象被称为微观现象，即便它们远比光学显微镜的观测极限更小。宏观现象则与之相反，它由大量粒子组成。

举个例子，当我们把球扔向墙壁，它总会弹回来。然而，单个粒子有时却能直接穿过其微观世界中的等效势垒，出现在另一侧。

这种量子力学现象被称为隧穿效应。

1984至1985年间，John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis在加州大学伯克利分校进行了一系列实验。

他们用一层完全不导电的薄膜将这两个超导体隔开。

实验证明，他们能够控制并研究一种奇特现象：超导体中的所有带电粒子行动完全同步，仿佛它们是填充了整个电路的同一个粒子。

这就好比一个开关处于「关」的位置，且有东西阻碍它拨向「开」。若没有量子力学效应，此状态将保持不变。突然，电压出现了。于是开关无视障碍，自行从「关」拨到了「开」。

实验中发生的这一幕，被称为宏观量子隧穿。

获奖者们的工作，建立在数十年积累的理论概念和实验工具之上。

近一个世纪以来，物理学家们已经知晓，隧穿效应是特定类型核衰变（α衰变）发生的必要条件。

原子核的一小部分会挣脱束缚，出现在其外部。

物理学家们很快开始思考，是否有可能研究一种涉及多个粒子同时隧穿的现象。

一种新的实验思路，源于某些材料在极低温下呈现的奇异现象。

在普通导体中，电子相互推挤，并与构成材料的原子碰撞。

当材料成为超导体时，电子两两配对形成库珀对，构成无阻力的电流。

此时，这些库珀对的行为，就像一个充满了整个电路的单一粒子。用量子力学的语言来说，它们共享同一个波函数。

如果用一层薄的绝缘层将两个超导体连接起来，便构成了一个约瑟夫森结。

时间回到上个世纪，时任UC伯克利教授的John Clarke建立了自己的研究小组，专注于利用超导体和约瑟夫森结探索一系列物理现象。

到20世纪80年代中期，在巴黎获得博士学位的Michel H. Devoret作为博士后加入了John Clarke的研究小组。

当时组里还有博士生John M. Martinis。他们共同接受了验证宏观量子隧穿的挑战。

为了屏蔽实验装置免受一切潜在干扰，他们付出了巨大的心血和极高的精度。

最终，他们成功地优化并精确测量了其电路的各项属性，从而对其有了透彻的理解。

为了测量量子现象，他们向约瑟夫森结注入微弱电流，并测量其两端的电压，该电压与电路的电阻相关。

如预期那样，约瑟夫森结的电压最初为零。这是因为系统的波函数被「囚禁」在一个不允许产生电压的状态里。

接着，他们研究了系统需要多长时间才能隧穿出该状态，从而产生电压。

由于量子力学内含随机性，他们进行了大量测量，并将结果绘制成图表，从中解读出零电压状态的持续时间。

以往，隧穿和能量量子化现象只在包含少数粒子的体系中被研究；而在这里，这些现象出现在一个由数十亿个库珀对构成的量子力学系统中（承载该电路的芯片尺寸约为一厘米）。实验通过这种方式，将量子力学效应从微观尺度带入了宏观尺度。

隧穿现象证明，实验装置中的库珀对，在它们同步的「舞蹈」中，其行为宛如一个巨大的单一粒子。

当研究人员观察到该系统具有量子化的能级时，他们获得了进一步的佐证。

量子力学（Quantum mechanics）一词的词根「量子」（quanta），正源于微观过程中能量总是以一份份独立包装的形式存在的观察。

获奖者们将不同波长的微波引入零电压状态，其中某些特定波长的微波被系统吸收，使其跃迁到更高的能级。

实验表明，当系统拥有更多能量时，零电压状态的持续时间会变短——这正是量子力学的预言。一个被囚禁在势垒后的微观粒子，其行为方式与此完全相同。

一个处于势垒后的量子力学系统可以拥有不同大小的能量，但它只能吸收或释放特定大小的能量份。在较高能级发生隧穿比在较低能级更容易，因此，从统计上看，能量越高的系统被「囚禁」的时间，要短于能量较低的系统。

John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis所做的这一系列实验表明，确实存在这样一种现象：海量的粒子作为一个整体，其行为方式与量子力学的预言完全相符。

这个由众多库珀对构成的宏观系统，其尺度虽然仍比一只小猫小数个数量级，但由于实验测量的是适用于该系统整体的量子力学特性，因此在量子物理学家看来，它与「薛定谔的猫」颇有几分神似。

这类宏观量子态为利用主宰微观粒子世界的现象进行实验开辟了新的可能。

它可视作一种大尺度的人造原子——一个带有电缆和插座的「原子」，可以被接入新的测试装置，或应用于新兴的量子技术。

在后来的实验中，Martinis就基于这种能量量子化特性，并使用了一个具有量子化能态的电路作为信息承载单元——即量子比特。最低能态和其上的第一级激发态分别代表了「0」和「1」。

如今，超导电路正是目前探索构建未来量子计算机的领先技术路线之一。

因此，今年的获奖者们不仅为物理实验室带来了实际应用价值，也为我们对物理世界的理论理解贡献了新的认知。

John Clark，1942年出生于英国剑桥，1968年获英国剑桥大学博士学位，现任美国加利福尼亚大学伯克利分校教授。

在加州大学伯克利分校完成博士后研究后，他于1969年加入物理系任教。

他是伦敦皇家学会、美国物理学会、美国科学促进会以及英国物理学会的会士（Fellow）。

他曾获斯隆研究基金会奖学金、古根海姆奖学金，并担任米勒教授。

1987年，他被评为「加州年度科学家」，并因低温物理研究获得弗里茨·伦敦奖。

1998年，他获得美国物理学会「约瑟夫·F·基思利测量科学进步奖」，1999年获得美国国家科学院「康斯托克物理学奖」。

2004年获得英国皇家学会「休斯奖章」，并于2005年担任加州大学伯克利分校「教师科研讲席教授」（Faculty Research Lecturer）。

他的主要研究兴趣之一是超导量子干涉器（SQUID）的发展、噪声极限与应用，对受量子极限约束的探测器和测量尤为着迷。

应用方向包括读出超导（reading out superconducting）「量子比特（qubits）」、用于超低频核磁共振（NMR）与磁共振成像（MRI）的新方案，以及寻找轴子。

他的论文被引近5万次。

Michel H. Devoret，1953年出生于法国巴黎，1982年获法国巴黎第十一大学（Paris-Sud University）博士学位，现任美国耶鲁大学（康涅狄格州纽黑文）及加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校教授。

他的研究领域集中于实验固态物理，特别是被他称为 「量子电子学（quantronics）」 的方向，即研究在介观电子系统中，电流与电压等集体变量的量子行为。

Devoret的工作旨在深入理解用于量子信息处理（如量子计算与量子传感）的超导电路中量子非平衡物理的基本原理。

他是现代超导量子电路与量子比特（qubit）实验研究的奠基人之一。他与Robert Schoelkopf、John Martinis等人合作，对实现超导量子比特的相干控制与测量技术作出了关键贡献。

他的团队在实现可扩展量子比特架构与高保真度量子测量方面的实验成果，对推动当代量子计算机的物理实现起到了决定性作用。

他的研究融合了基础量子物理与工程技术，是「量子信息科学实验物理化」的代表人物之一。

他在「量子限制放大器」、「单电子器件」、「量子测量理论实验验证」等方面的研究对量子计算和量子测量学的发展具有深远影响。

Devoret部分荣誉与奖项：

• Comstock Prize in Physics（美国国家科学院，2024，与 Robert Schoelkopf 共享）

• Micius Quantum Prize（墨子量子奖），2022

• Olli V. Lounasmaa Memorial Prize，2016

• Fritz London Memorial Prize（与Robert Schoelkopf和John Martinis共享），2014

• John Bell Prize（与Robert Schoelkopf共享），2013

• 当选法国科学院院士，2007

• 任职法兰西学院（Collège de France）教授，2007–2012

• Europhysics–Agilent Prize（与Daniel Esteve、Hans Moij和Yasunobu Nakamura共享），2004

• 当选 美国艺术与科学院院士（AAAS Fellow），2003

• Descartes–Huygens Prize（荷兰皇家科学院），1996

• Ampère Prize（法国科学院，与Daniel Esteve共享，以表彰电子泵的发明），1991

John M. Martinis，1958年出生，1987年获美国加利福尼亚大学伯克利分校博士学位，现任加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校教授。

John Martinis是一位杰出的物理学家，以其在量子计算领域的开创性贡献而闻名。

他专注于超导量子比特的研究，一直站在开发高保真量子比特的最前沿，这些量子比特是可扩展量子处理器的关键。

在创立Qolab之前，马蒂尼斯是谷歌量子霸权实验的核心人物，他领导团队展示了量子计算机在特定任务上超越全球最强经典超级计算机的能力。

他在量子纠错与可扩展量子处理器方面的开创性研究极大推动了该领域的发展。

马蒂尼斯持续激励并指导新一代量子工程师和科学家，推动量子计算的实际应用向前发展。

他的论文被引已超过77000次。

让我们再次向三位伟大的物理学家致敬！