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◎ 本報特約作者 金貽榮，北京量子信息科學研究院研究員、相干（北京）科技有限公司創(chuàng)始人      

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（Michel H. Devoret）和約翰·M·馬蒂尼斯（John M. Martinis），以表彰他們在宏觀量子隧穿和電路量子化方面的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。這幾位開拓者通過超導電路，將量子效應從微觀原子尺度擴展到宏觀尺度，標志著量子力學在更大系統(tǒng)中的應用突破。正是這些突破，讓基于超導電路的量子器件在量子計算和量子精密測量領域大展身手。    

2003年諾貝爾物理學獎獲得者的高度評價

本次諾貝爾物理學獎，源于這3位科學家在1985年合作先后發(fā)表于物理評論快報（PHYSICAL REVIEW LETTERS）的兩篇論文：《零電壓狀態(tài)下的電流偏置約瑟夫森結中的能量量子化（Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction）》【John M. Martinis, Michel H. Devoret, and John Clarke, Phys. Rev. Lett., 55, 1543, 1985】和《零電壓狀態(tài)下的電流偏置約瑟夫森結中宏觀量子隧穿測量（Measurements of Macroscopic Quantum Tunneling out of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction）》【Michel H. Devoret, John M. Martinis, and John Clarke, Phys. Rev. Lett. 55, 1908, 1985】。前一篇論文首次觀測到宏觀變量——約瑟夫森相位在一個處于零電壓態(tài)的電流偏置約瑟夫森結中的量子化，即形成分立的能級。這些能級的位置與量子力學計算結果高度相符；第二篇論文則在相同的體系中明確觀測到了宏觀量子隧穿現(xiàn)象。這些工作證明了量子力學不限于原子尺度，而是可擴展到可見尺寸的系統(tǒng)。這挑戰(zhàn)了經(jīng)典物理的界限，并為量子信息科學奠基。

1988年，這個團隊又在《科學》雜志（Science）上發(fā)表了一篇名為《宏觀變量的量子力學：約瑟夫森結的相位差（Quantum Mechanics of a Macroscopic Variable: The Phase Difference of a Josephson Junction）》【JOHN CLARKE, ANDREW N. CLELAND, MICHEL H. DEVORET, DANIEL ESTEVE,JOHN M. MARTINIS, Science, 239, 992, 1988】，通過測量低溫下電流偏置的約瑟夫森結從零電壓狀態(tài)向有阻態(tài)的逃逸率，與量子力學的預測高度相符，“沒有任何可調(diào)參數(shù)”，確認了約瑟夫森結相位差是一個宏觀量子變量。在論文的摘要中，他們自稱這是一個“用線接起來的宏觀原子”。彼時，德沃雷和馬蒂尼斯已經(jīng)前往法國薩克雷原子能研究所從事獨立的研究。萊格特教授（2003年諾貝爾物理學獎獲得者）對此評價頗高，認為這比能級量子化更重要。

這一突破性進展，為后續(xù)基于超導量子電路量子化的大量開創(chuàng)性進展特別是超導量子計算，打下了堅實的基礎。電流偏置的約瑟夫森結本身，就是一種早期經(jīng)典的量子比特——相位量子比特的前身。超導電路量子化的確立，使得人們可以利用超導量子電路構造“人工原子”：它具有可設計的能級結構，可設計的相互作用強度，以及可設計的與外部電磁場的耦合強度，使得構造可控的人工量子體系用于量子信息處理成為可能。

未來很可能開創(chuàng)萬億級新市場

利用約瑟夫森效應中奇特的非線性和電路量子化，還可以用來構造各種精密測量工具，其中最著名的當屬“超導量子干涉儀（SQUID）”，約翰·克拉克正是這一器件的發(fā)明者及其應用的大力推廣者?？死四贻p時對無線電技術著迷，曾自制業(yè)余無線電設備，并在英國劍橋大學實驗室“搗鼓”超導實驗，導致過一次小爆炸——這讓他意識到量子隧穿的“不可預測性”，也成為他日后研究的靈感來源。后來，他將SQUID應用于腦磁圖成像，半開玩笑地說：“我從監(jiān)聽無線電，變成了監(jiān)聽大腦的量子信號！”

米歇爾·H·德沃雷的主要貢獻在于開創(chuàng)宏觀量子隧穿實驗，構建“電路量子電動力學”（circuit QED）系統(tǒng)，實現(xiàn)人工原子操控。德沃雷在美國耶魯大學開創(chuàng)的研究組，如今已經(jīng)成為超導量子電路、超導量子操控和計算領域的搖籃，散落在世界各地、近半數(shù)的超導量子團隊，都出身于這個偉大的研究組，這其中包括IBM量子部門。

獲獎的3人中，約翰·M·馬蒂尼斯是最具工程化能力的一位科學家，他是一位狂熱的電子愛好者，并喜歡約瑟夫森結及其電路所帶來的奇特電路效應，最早在“相位量子比特”——接近臨界偏置的約瑟夫森結中發(fā)現(xiàn)了量子相干振蕩。他還在兩個相位量子比特之間實現(xiàn)了長距離（10cm尺度）的相互作用，進一步拓展宏觀量子效應的尺度。2014年，他帶著他在美國加州大學圣巴巴拉分校的團隊加入谷歌開創(chuàng)了谷歌的量子AI團隊，并在2019年推出橫空出世的“懸鈴木”量子芯片，在53個量子比特中首次展示“量子霸權”。

2025年的諾貝爾物理學獎授予這3位宏觀量子隧穿和電路量子化及其應用的先驅(qū)，無疑是實至名歸的。正是這些開創(chuàng)性的工作，才使得人們今天距離實用量子計算如此之近。超導量子計算已經(jīng)成為目前最有前景的技術路線之一，已經(jīng)進入中大規(guī)模工程化階段，除了谷歌、IBM等科技巨頭的深度參與外，圍繞超導量子計算已經(jīng)產(chǎn)生很多初創(chuàng)公司，比較有代表性的有D-wave、Rigetti（均已經(jīng)上市）等。2025年的諾貝爾物理學獎，除了其深遠的基礎科學意義外，未來很可能在量子計算和量子精密測量領域開創(chuàng)萬億級的新市場。最后引用德沃雷和舍爾科夫（Schoelkopf）在2013年一篇綜述文章《用于量子信息處理的超導電路——一個展望（Superconducting Circuits for Quantum Information - An Outlook）》中的一段話作為結尾：

……在過去不到20年里，我們見證了量子計算，以及其他量子信息處理方面如此多的進展，以至于（量子計算）看上去很可能在我們有生之年內(nèi)實現(xiàn)，盡管仍有大量的新探索和技術創(chuàng)新等待著我們。

（本文編輯：朱廣清）