2025物理诺奖：厘米级电路见证宏观量子隧穿与能量“台阶”跃迁

在量子物理的奇妙领域中，许多现象看似违背日常直觉：粒子能穿透障碍物，能量以离散形式存在，系统可同时处于两种状态。这些看似仅存在于微观世界的“怪异”现象，如今被证实可在人类手掌大小的电路中重现。2025年诺贝尔物理学奖授予三位科学家，表彰他们在宏观尺度上验证量子隧穿与能量量子化的突破性研究。

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量子隧穿是微观世界的典型特征。以α衰变为例，原子核中的粒子能够穿越看似不可逾越的能量势垒，逃逸至核外。这一现象在单个粒子层面已被充分理解，但科学家长期困惑：由数十亿粒子组成的宏观体系，能否复现这种量子行为？2025年的获奖研究给出了肯定答案。

上世纪80年代，美国加州大学伯克利分校的约翰·克拉克团队开启了一项关键实验。他们构建了由两块超导体夹着极薄绝缘层的约瑟夫森结结构。在超导体中，电子形成库珀对，以无阻力的方式流动，整个系统可用统一的波函数描述，表现出类似单一量子粒子的宏观特性。研究人员向电路输入微弱电流并监测电压变化，发现电压会突然跳动，仿佛系统“穿透了”无形的能量屏障。

实验中，宏观超导体系完成了量子隧穿。更惊人的是，系统能量呈现离散变化，而非连续流动。当注入的微波能量与系统能级差匹配时，电路会吸收能量并跃迁至更高能级，如同粒子在量子世界中的跃迁。能量吸收与释放仅以特定份额进行，完全符合量子力学预测。

这一发现颠覆了传统认知。长期以来，人们认为宏观世界会因环境干扰而“去量子化”，著名的“薛定谔的猫”思想实验便体现了这种观点：量子叠加态在宏观层面无法维持。然而，理论物理学家安东尼·莱格特曾提出，宏观体系可能存在量子态。克拉克团队的实验正是这一设想的实证，他们让由上千亿粒子组成的宏观系统展现出量子隧穿与跃迁行为。

该研究不仅深化了量子力学的基础理解，更为量子技术铺平了道路。获奖者之一约翰·马蒂尼斯后续将具有量子化能级的超导电路应用于量子计算，开发出量子比特。在量子计算机中，比特可同时处于“0”与“1”的叠加态，这一特性正是基于早期实验揭示的物理规律。如今，全球领先的量子计算研究均受益于这一开创性思路。

从理论思辨到实验验证，再到技术应用，这项研究标志着量子力学从微观领域向人类可操控尺度的跨越。厘米级的电路让量子现象变得“可触摸”，使“薛定谔的猫”从思想实验转化为可测量的现实。量子力学不再仅是抽象的“微观魔法”，而是逐步融入人类科技生活。