Re: [爆卦] 2025年諾貝爾物理獎(超導量子位元)

: → shellback: 給量子力學比給AI正常多了 118.163.108.246 10/07 18:08: 噓 bairn: 看不懂，沒人能解釋解釋嗎 111.71.213.73 10/07 18:15

今年的諾貝爾物理獎的確是比去年正常一些些

小弟兩年前韓國LK99熱潮時 在板上寫了篇關於超導體的文章

https://www.pttweb.cc/bbs/Gossiping/M.1690628853.A.D98

剛好可以用那篇文章當作起頭

對超導體其他細節有興趣的板友也可以參考那篇文章 這裡我只需要這一段話:

"首先 先簡單介紹超導體

超導體並不是電阻極小的導體 而是根本和導體在物理上就有本質性的不同

為什麼一般物質 無論導體或絕緣體 都一定有電阻?

因為一般物質 基本可以想成是一大堆電子各自獨立運動的集合

個別粒子運動時總是會被各種粒子或雜質所散射 於是無可避免地會有電阻

但這種單粒子組合在一起的圖像 卻不適用超導體

超導體是種宏觀的量子相干態(Macroscopic Quantum Coherent State)

沒有真正確定的粒子數 因為 單粒子圖像根本並不適用於超導體

這聽起來很玄妙...但這就是量子世界的本質

舉個更有名例子 大家或許聽過 一個電子要是處於量子態中 那麼它的位置就不是確定的

對於量子相干態而言 它實際上就處於一種不同粒子數形成的疊加態中

可以想像成 在超導體 電子因為某些原因

像是"融化"一般 失去了獨立的粒子意義 形成一個整體

於是 整個超導體的電流流動 也是一整體的

所以不會被微小的散射所影響 這就是為什麼超導體沒有電阻的原因"

兩年前的文章沒有另外說明的是

這種宏觀的量子相干態(Macroscopic Quantum Coherent State)

有很多意想不到的性質 其中一個是

整個超導雖然一開始是由大概至少成億上兆的粒子組成

但形成超導的宏觀量子態後 個別的單粒子圖像都消失了

整個超導量子態於是可以被同一個量子波函數所描述

數學上 超導態的量子波函數可以寫成 Ψ(r)=sqrt(n)exp(i*φ(r))

你可以把波函數Ψ(r)想成是複數平面上的圓 而φ(r)就是在位置r時的相位角度

Brian Josephson在22歲剛讀PhD時 就發現了如何觀測到超導宏觀量子態產生的宏觀效應

這裡得先科普一下甚麼是量子穿隧效應

量子態是由波函數描述 而波函數描述的是量子態的機率分布

並且 顧名思義 像是波一樣 所以 一個微觀的量子粒子

即使面對比自己運動能量更高的位勢(牆) 還是有一定的機率穿越

這在微觀世界是成立的 但在宏觀世界

由於個別粒子波函數的相位是互相獨立或者相消 也由於跟環境的交互用

要看到整個宏觀物質都產生穿隧效應 幾乎是不可能的事情

Josephson的天才之處 就是他想到 由於超導體是宏觀的

成億上兆的粒子實際上只有一個量子波函數相位

於是 想觀察到宏觀量子穿隧效應 就成為可能

他用理論展示 假如把兩個超導體接在一起 如下圖
____________ ____ _____________
| 絕 |
超導體1 | 緣 | 超導體2
____________|_體_|_____________

由於超導體1跟2之間的量子穿隧效應

超導體的古柏對 實際上是能透過穿隧效應 穿透中間的絕緣體 流動到另一側的

於是產生電流 I=I_0*sin(φ_1-φ_2)

其中φ_1和φ_2為超導體1和2的波函數相位

這個超導電流 只需要兩個超導體的波函數有相位差 甚至不需要外加的電壓!

這個結構後來被稱為Josephson接面

Josephson也因為他的天才創見 而在1973年33歲時拿到了諾貝爾物理獎

今年的得獎工作 其實也是奠基在Josephson的工作基礎上

這三位得獎者 就是透過Josephson接面組成的電路 更細緻而具體展示了更多宏觀量子現象

簡單的說 由於整個Josephson接面是個量子系統

只要外加電流足夠小 整個Josephson接面的能量也會是量子化的(E_n)

他們透過調節外加微波跟外加電流 證實了這點 並且也觀察到量子穿隧效應隨之的變化

當然 就像上面說的 這個工作其實可以說是建立在Josephson的基礎之上

我認為他們之所以能拿獎 終究還是他們的實驗成為了後來超導量子位元的技術基礎

而超導量子位元是現在量子電腦最主流的技術之一

包括IBM跟google都是押寶在這個技術上

(得獎者之一的John Martinis之前也被google請去很長一段時間)

而量子電腦公司最近的股價又在大漲中...

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