[爆卦] 2025年諾貝爾物理獎(超導量子位元)

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瑞典皇家科學院決定將 2025 年諾貝爾物理學獎授予約翰·克拉克 (John
Clarke)、米歇爾·H·德沃雷特 (Michel H. Devoret) 和約翰·M·馬丁尼斯 (John M.
Martinis)，以表彰他們發現了電路中的宏觀量子力學隧道和能量量子化。

約翰·克拉克
1942年出生於英國劍橋。 1968年獲英國劍橋大學博士學位。現為美國加州大學柏克萊分校教授。

米歇爾·H·德沃雷特
1953年出生於法國巴黎。 1982年獲法國巴黎第十一大學博士。現任耶魯大學（康乃狄克州紐黑文）和加州大學（聖塔芭芭拉）教授。

約翰·M·馬蒂尼斯
1958年出生。 1987年獲美國加州大學柏克萊分校博士學位。現為美國加州大學聖塔芭芭拉分校教授。

人類尺度上的量子特性

2025年諾貝爾物理學獎得主 約翰·克拉克 、 米歇爾·H·德沃雷特 和 約翰·M·馬丁
內斯 透過一系列實驗證明，量子世界的奇異特性可以在一個大到可以握在手中的系統中具體化。他們的超導電子系統可以從一種狀態穿隧到另一種狀態，就像直接穿過一面牆一樣。他們還證明，該系統吸收和釋放特定大小的能量，正如量子力學所預測的那樣。

一系列開創性的實驗

量子力學描述的是單一粒子尺度上的重要特性。在量子物理學中，這些現像被稱為 微觀現象 ，即使它們比光學顯微鏡所能觀察到的要小得多。這與 由大量粒子組成的宏觀 現象形成對比。例如，一個日常球體是由天文數字般的分子組成，它不表現出任何量子力學效應。我們知道，每次把球扔到牆上，它都會反彈。然而，單一粒子有時會直接穿過其微觀世界中等效的屏障，出現在另一側。這種量子力學現象稱為 穿隧效應 。

今年的諾貝爾物理學獎表彰了那些展現如何在宏觀尺度上觀察到量子穿隧效應的實驗，這些實驗涉及許多粒子。 1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特和約翰·馬
丁內斯在加州大學柏克萊分校進行了一系列實驗。他們建構了一個包含兩個超導體的電路，超導體可以在沒有任何電阻的情況下傳導電流。他們用一層完全不導電的薄材料將它們分開。在這項實驗中，他們展示了能夠控制和研究一種現象：超導體中的所有帶電粒子都表現出一致的行為，就好像它們是充滿整個電路的單一粒子一樣。

這個類粒子系統被困在一種無電壓、有電流流動的狀態──在這個狀態下，它沒有足夠的
能量逃脫。在實驗中，該系統利用穿隧效應逃脫零電壓狀態，並產生電壓，從而展現出其量子特性。兩位獲獎者也證明了該系統是量子化的，這意味著它只能吸收或釋放特定數量的能量。

隧道和交叉口

為了幫助他們，諾獎得主們擁有數十年來發展的概念和實驗工具。量子物理學與相對論一起構成了現代物理學的基礎，研究人員在過去一個世紀中一直在探索它的意義。

單一粒子的穿隧能力是眾所周知的。 1928年，物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）
意識到，穿隧效應是某些重原子核傾向於以特定方式衰變的原因。原子核內部力的相
互作用在其周圍形成一道屏障，將其中的粒子束縛住。然而，儘管如此，原子核的一小部分有時會分裂出來，移出屏障並逃逸——留下一個已經轉化為其他元素的原子核。如果沒
有穿隧效應，這種類型的核衰變就不可能發生。

穿隧效應是一個量子力學過程，其中必然存在偶然因素。某些類型的原子核擁有高而寬的勢壘，因此原子核碎片可能需要很長時間才能出現在勢壘之外，而其他類型的原子核則更容易衰變。如果我們只觀察單一原子，就無法預測何時會發生穿隧效應，但透過觀察大量同類型原子核的衰變，我們可以測量穿隧效應發生前的預期時間。描述穿隧效應最常見的方式是使用半衰期的概念，也就是樣本中一半原子核衰變所需的時間。

物理學家很快就開始思考，是否有可能研究一種同時涉及多個粒子的穿隧現象。一種新型實驗方法源自於某些材料在極冷時所產生的現象。

在普通導電材料中，電流流動是因為電子可以自由地穿過整個材料。在某些材料中，穿過導體的單一電子可能會被組織起來，形成一種同步的“舞蹈”，流動時沒有任何阻力。這
種材料就變成了超導體，電子成對地結合在一起。這些電子被稱為庫柏對，以 萊昂庫柏的 一起 名字命名，他與約翰·巴丁 和 羅伯特·施里弗 詳細描述了超導體的工作原理
（1972年諾貝爾物理學獎 ）。

庫柏對的行為與一般電子完全不同。電子具有高度的完整性，並且喜歡彼此保持一定距離——如果兩個電子具有相同的性質，它們就不能位於同一位置。例如，我們可以在原子中
看到這種情況，其中電子將自己分成不同的能階，稱為殼層。然而，當超導體中的電子成對結合時，它們會失去一些個性；雖然兩個獨立的電子總是不同的，但兩個庫柏對可以完全相同。這意味著超導體中的庫柏對可以被描述為一個單元，一個量子力學系統。用量子力學的語言來說，它們被描述為一個 波函數 。這個波函數描述了在給定狀態和給定性質下觀察系統的機率。

如果將兩個超導體連接在一起，並在它們之間形成一層薄薄的絕緣層，就會形成約瑟夫森結。該元件以 布萊恩·約瑟夫森（Brian Josephson） 的名字命名，他對該結進行了量
子力學計算。他發現，當考慮結兩側的波函數時，會出現有趣的現象（1973年諾貝爾物
理學獎)。約瑟夫森結很快便找到了應用領域，包括對基本物理常數和磁場的精確測量。

這項構造也為以新的方式探索量子物理學的基本原理提供了工具。 Anthony Leggett 安東尼·萊格特（2003年諾貝爾物理學獎得主 ）就是其中一位，他關於約瑟夫森結宏觀量子隧道的理論工作啟發了新型實驗。

研究小組開始工作

這些主題與約翰·克拉克的研究興趣完美契合。他曾任美國加州大學柏克萊分校教授，
1968年在英國劍橋大學獲得博士學位後，他移居加州大學柏克萊分校。在加州大學柏克萊分校，他組建了自己的研究團隊，專注於利用超導體和約瑟夫森結探索一系列現象。

1980年代中期，米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）在巴黎獲得博士學位後，以博士後身份加入了約翰·克拉克（John Clarke）的研究小組。該小組還包括博士生約翰·馬丁
內斯（John Martinis）。他們共同承擔了展示宏觀量子穿隧效應的挑戰。實驗裝置必須極為謹慎和精確，才能屏蔽所有可能影響它的干擾。他們成功地改進並測量了電路的所有特性，從而能夠對其進行更深入的了解。

為了測量量子現象，他們向約瑟夫森結通入微弱電流，並測量了電壓，該電壓與電路中的電阻有關。正如預期的那樣，約瑟夫森結上的電壓最初為零。這是因為系統的波函數被封閉在一個不允許電壓產生的狀態。然後，他們研究了系統穿隧出該狀態並產生電壓所需的時間。由於量子力學包含偶然因素，他們進行了多次測量，並將結果繪製成圖表，從中可以讀取零電壓狀態的持續時間。這與原子核半衰期測量基於大量衰變實例統計數據類似。

穿隧效應表明，實驗裝置的庫柏對在同步運動中表現得像一個巨型粒子。研究人員發現系統具有量子化的能階，進一步證實了這一點。量子力學得名於微觀過程中能量被分解成獨立的能量包（即量子）這一現象。得獎者將不同波長的微波引入零電壓態。其中一些被吸收，系統隨後躍遷至更高的能階。這表明，當系統能量更高時，零電壓態的持續時間更短——這正是量子力學的預測。被阻擋在屏障後的微觀粒子也以同樣的方式運作。

實務和理論益處

這個實驗對理解量子力學意義重大。其他類型的量子力學效應在宏觀尺度上得到證實，它們是由許多微小的個體及其各自的量子特性組成的。這些微觀成分組合在一起，產生了諸如雷射、超導體和超流體等宏觀現象。然而，這個實驗卻從一種本身就是宏觀的狀態中，以大量粒子的共同波函數形式，創造了一種宏觀效應——可測量的電壓。

安東尼·萊格特等理論家將諾貝爾獎得主的宏觀量子體系與 埃爾溫·薛丁格 著名的思想
實驗進行了比較。薛丁格將一隻貓關在盒子裡，如果我們不往盒子裡看，這隻貓既活著又死了。 （埃爾溫·薛丁格 於1933年獲得諾貝爾物理學獎 。）他的思想實驗旨在揭示這
種情況的荒謬性，因為量子力學的特殊性質在宏觀尺度上通常會被抹去。整隻貓的量子特性無法在實驗室實驗中得到證實。

然而，萊格特認為，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特和約翰·馬丁尼斯進行的一系列實
驗表明，存在涉及大量粒子的現象，這些粒子的共同行為正如量子力學所預測的那樣。由許多庫柏對組成的宏觀系統仍然比小貓小很多個數量級——但由於實驗測量的是整個系統
的量子力學特性，因此對於量子物理學家來說，它與薛定諤的假想貓非常相似。

這種宏觀量子態為利用控製粒子微觀世界的現象進行實驗提供了新的潛力。它可以被視為一種大規模的人造原子——一個帶有電纜和插座的原子，可以連接到新的測試裝置或用於
新的量子技術。例如，人造原子可用於模擬其他量子系統並幫助理解它們。

另一個例子是馬丁尼斯隨後的量子電腦實驗，他正是利用了他和其他兩位獲獎者所展示的能量量子化原理。他使用一個以量子態為資訊承載單位的電路－量子位元。最低能態和向上的第一步分別表示為零和一。超導電路是未來量子電腦建構過程中正在探索的技術之一。

因此，今年的獲獎者不僅為物理實驗室帶來了實際效益，還為從理論上理解物理世界提供了新的資訊。

諾貝爾物理學獎委員會主席奧勒·埃里克森表示：“能夠慶祝百年量子力學不斷帶來新的
驚喜，真是太棒了。它也意義非凡，因為量子力學是所有數位技術的基礎。”

電腦微晶片中的電晶體是我們身邊成熟的量子技術的一個例子。今年的諾貝爾物理學獎為開發下一代量子技術提供了機遇，包括量子密碼學、量子電腦和量子感測器。