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原創 見文末 果殼 2025年10月07日
在量子物理的世界里，常常會發生一些違反直覺的事情：粒子能穿過牆壁、能量像硬幣一樣一枚一枚地發放、一個系統能同時處在兩個狀態之中。這樣的現象看似只存在於微觀世界，遠離我們的日常經驗，但今年的諾貝爾物理學獎告訴我們，這些「奇異」的量子現象，可以在你手心大小的電路中發生。
2025年諾貝爾物理學獎授予了三位科學家：約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們「在電路中發現宏觀量子隧穿與能量量子化」的成就。他們讓量子力學從原子與電子的微觀舞台，躍上了可以觸摸的人類尺度。
當量子世界伸向人類尺度
我們都知道，扔出的球會撞在牆上反彈回來，不可能「穿牆而過」。但在量子世界中，粒子卻能做到這一點，這就是著名的「量子隧穿」。
在原子核中，粒子偶爾會穿越能量屏障逃逸出來，這種「穿牆術」正是放射性衰變（如α衰變）的根源。
然而，這種現象通常只出現在單個粒子層面。幾十年來，物理學家都在追問：能否讓由無數粒子組成的宏觀體系，也表現出同樣的量子行為？
2025年的三位諾貝爾獎得主給出了一個漂亮的答案：可以。
在超導電路中建造「量子隧道」
時間回到上世紀80年代中期。美國加州大學伯克利分校的實驗室里，教授約翰·克拉克帶領他的團隊，包括博士后米歇爾·德沃雷和博士生約翰·馬丁尼斯，開始搭建一個看似普通的電路。這個電路由兩塊超導體組成，中間夾著一層極薄的絕緣層，這種結構被稱為約瑟夫森結（Josephson junction）。
在超導體中，電子並非各自為戰，而是成對「結伴而行」，形成所謂的庫珀對（Cooper pair）。這些電子對不再像普通電子那樣互相推擠，而是像一支完美合拍的舞蹈隊伍，共同流動、沒有阻力。整個系統可以用一個統一的「波函數」來描述。這意味著，它表現得就像一個巨大的「量子粒子」。
於是，這個由無數電子組成的宏觀體系，竟然具備了量子世界的特性。克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯正是利用這一特性，設計出可以觀察「宏觀量子隧穿」的實驗。
他們向電路中輸入微弱電流，並測量電壓變化。在沒有量子效應時，電壓應當始終為零，就像一個被卡住的開關。然而在實驗中，他們驚訝地發現：電壓會突然跳動，好像系統「穿過了」一個無形的能量屏障。
換句話說，電路中的整個超導體系，完成了一次宏觀量子隧穿。
能量的「量子化」——跳台式的世界
更令人興奮的是，他們還發現這個系統的能量不是連續變化的，而是分成一個個「台階」，只能按特定的份額吸收或釋放能量。這種現象被稱為能量量子化（energy quantisation）。
實驗團隊向電路中注入不同波長的微波。當微波的能量恰好與某一級能量差匹配時，電路就會「吸收」這份能量，並跳到更高的能級，就像粒子在量子世界中躍遷一樣。這正是量子世界的特徵：能量不流動，而是「跳躍」。
結果：能量多了，系統更容易「穿牆」；能量少了，系統就被困得更久。這與量子力學的理論預測完全一致。
這一切與量子力學的預測完美吻合。不同的是，這次不是電子，不是原子，而是一個由上千億個粒子構成的宏觀系統，在執行一場量子力學的「表演」。
從薛定諤的貓到「人手可握的量子世界」
這項實驗震撼了整個物理界。長期以來，人們認為量子現象只存在於微觀層面，而宏觀世界會因環境擾動而「去量子化」。
正如著名的思想實驗「薛定諤的貓」所描述的：在量子疊加態下，貓既活又死，但一旦我們打開盒子，現實只會留下一個結果。
但理論物理學家安東尼·萊格特（Anthony Leggett）曾提出，或許存在一種中間狀態：宏觀體系也能以量子方式存在。
克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯的實驗正是這種思想的實證版本。他們讓一個「宏觀電子體」展現出量子躍遷與隧穿行為。這是過去被認為不可能實現的。
這個系統雖然比貓小無數倍，但它確實讓「量子貓」從想象變成了可測量的現實。
量子計算的伏筆
這項研究不僅僅是物理學上的突破，更是量子技術的奠基石。約翰·馬蒂尼斯後來將這種具有量子化能級的超導電路，用作信息單元，也就是量子比特（qubit）。
在量子計算機中，一個比特既能是「0」，也能是「1」，還能同時處於「0與1」的疊加態。這正是克拉克、德沃雷與馬蒂尼斯早年實驗所揭示的物理特性。如今，全球領先的量子計算研究（包括Google的量子晶元）都直接受益於他們開創的思路。
這些「人造原子」不再只是實驗裝置，而是有可能成為未來量子計算機的核心元件。
結語：當量子從理論走向現實
從最初的思辨，到實驗的巧思，再到技術的應用，2025年的諾貝爾物理學獎標志著一個重要的轉折：量子力學不再只是「微觀的魔法」，它開始進入我們可以製造、操控、甚至握在手中的世界。
克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯三人用一個厘米大小的電路，讓人類第一次在「可見的尺度上」驗證了量子力學的神奇。他們讓薛定諤的貓，不再只是一個思想實驗的笑談，而成為一個通往未來科技的真實起點。