2025诺奖花落量子领域 三位科学家开拓宏观量子工程新路径

2025年诺贝尔物理学奖揭晓，三位来自美国加州大学伯克利分校的科学家——约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·马丁尼斯共同摘得桂冠。他们的获奖理由是对“电路中宏观量子隧穿与能级量子化”的突破性研究，这一发现将量子世界从微观尺度延伸至宏观工程系统，为量子计算奠定了实验基础。

量子力学自诞生以来，其核心效应如隧穿效应和能量量子化，始终被局限于原子或亚原子尺度。当系统规模扩大至宏观层面时，量子特性往往会因与环境的相互作用而迅速消失。然而，三位科学家的实验首次证明，一个由数十亿对电子组成的超导电路，在特定条件下能像单个原子一样表现出量子行为。这一成果直接挑战了传统认知中“宏观与量子不可兼容”的观念。

实验的核心装置是一个基于约瑟夫森结的超导电路。约瑟夫森结由两层超导体通过薄绝缘层连接而成，当电流通过时，整个电路中的电子对会形成一个协同运动的“宏观量子态”。研究团队通过精密设计，将电路冷却至接近绝对零度，并采用铜粉微波滤波器等创新技术，极大降低了外界噪声干扰。实验数据显示，当温度降至临界点以下时，电路的“逃逸”行为不再受温度影响，而是完全符合量子隧穿的理论预测。更关键的是，他们通过微波光谱技术观测到，该宏观系统的能量呈现离散化特征，与单个原子的能级结构高度相似。

这一发现源于20世纪70年代末物理学家安东尼·莱格特的理论构想。莱格特提出，超导电路因其极低电阻特性，可能成为观测宏观量子效应的理想平台。1980年代，克拉克、马丁尼斯和德沃雷组成的团队在伯克利分校展开了系统性攻关。他们不仅验证了莱格特的预言，还通过“共振激活”技术独立测量了电路的关键参数，使实验结果可直接与理论定量比对。这种严谨的方法排除了热激活等经典效应的干扰，为宏观量子效应的存在提供了无可辩驳的证据。

克拉克在获奖后表示，这一成果是团队多年协作的结晶。他特别鼓励年轻科学家投身量子领域，强调“仍有许多未知现象等待探索”。事实上，三位科学家的研究路径各具特色：克拉克长期深耕超导量子干涉器件（SQUIDs），其成果广泛应用于医学成像和地球物理；德沃雷在法国CEA-Saclay期间开创了“量子电子学”方向，后于耶鲁大学推动超导量子比特设计；马丁尼斯则在加州大学圣塔芭芭拉分校和谷歌量子AI实验室主导了量子霸权实验，2019年其团队首次实现53量子比特计算，标志着量子计算进入实用化阶段。

学术界对这一成果的评价极高。诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松指出，该研究不仅拓展了量子力学的边界，更证明了人类有能力在实验室中“制造”并操控宏观量子系统。这种能力直接催生了“超导电路作为人造原子”的概念，如今全球领先的量子计算机平台（如Transmon量子比特和cQED架构）均基于此发展而来。三位科学家曾与日本理化学研究所的中村泰信共同获得2024年“墨子量子奖”，表彰他们在超导量子电路技术上的早期贡献。

从个人履历看，三位获奖者均与伯克利分校渊源深厚。克拉克1968年从剑桥大学博士毕业后赴美，在伯克利任教超过40年，期间兼任劳伦斯伯克利国家实验室资深科学家；德沃雷1982年在法国获得博士学位后，加入克拉克实验室从事博士后研究，后返回法国建立研究团队，2002年转赴耶鲁大学；马丁尼斯作为克拉克的学生，1985年完成关于约瑟夫森结的博士论文，此后在NIST和UCSB持续深耕量子器件领域。他们的学术轨迹交织成一张覆盖欧美量子研究的网络，推动了整个领域的技术迭代。

当前，量子技术已从实验室走向产业界。计算机芯片中的晶体管便是量子效应的经典应用，而三位科学家的研究为更复杂的量子技术（如量子密码学和传感器）开辟了道路。正如埃里克松所言，量子力学不仅是理论上的奇迹，更是所有数字技术的基石。此次诺贝尔奖的授予，既是对基础科学长期探索的肯定，也为下一代量子技术的突破注入了新动力。