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◎ 本報特約作者 南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所教授、所長王華兵，教授孫國柱，博士李金朋      

北京時間2025年10月7日，諾貝爾委員會宣布，將2025年的諾貝爾物理學(xué)獎頒給約翰·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）3人，以表彰他們“在電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子隧穿效應(yīng)與能量量子化現(xiàn)象”。    

獲獎的實(shí)驗(yàn)工作，主要是1985年左右，在美國加州大學(xué)伯克利分校物理系和勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室材料和分子研究部，由約翰·克拉克與其博士后米歇爾·H·德沃雷和博士生約翰·M·馬蒂尼斯共同完成（時年分別為43歲、32歲和27歲）。他們在基于超導(dǎo)體構(gòu)建的宏觀電路——電流偏置的約瑟夫森結(jié)中，展示了一般認(rèn)為只有在微觀世界中才具有的量子隧穿和能量量子化現(xiàn)象，證明了由大量粒子構(gòu)成的宏觀物體也可以像單個微觀粒子一樣遵守量子力學(xué)原理，體現(xiàn)出宏觀量子力學(xué)效應(yīng)（Macroscopic Quantum Effect, MQE）。這一發(fā)現(xiàn)，對于深入探索量子力學(xué)的適用尺度，發(fā)展基于超導(dǎo)電路的宏觀量子器件，繼而開展超導(dǎo)量子信息技術(shù)研究具有深遠(yuǎn)的意義。

推動在宏觀物理系統(tǒng)中觀測量子力學(xué)效應(yīng)

一般認(rèn)為，量子力學(xué)的使用范圍是微觀尺寸，比如電子、原子、分子，尺寸不超過納米級別，然而，3位諾獎獲得者展示的超導(dǎo)電路，其尺寸在數(shù)十微米量級，已是肉眼可以分辨的尺寸級別。在如此大的尺寸下，觀測到量子隧穿和能量量子化現(xiàn)象，說明在特定條件下，量子力學(xué)的適用范圍可以推廣到宏觀物體。他們的開創(chuàng)性研究成果，直接激勵了人們在諸如質(zhì)量達(dá)數(shù)十微克的機(jī)械振子、電磁場和玻色愛因斯坦凝聚體中觀測類似的宏觀量子力學(xué)效應(yīng)，也將使人們進(jìn)一步去設(shè)想在更大甚至人體等宏觀物理系統(tǒng)觀測量子力學(xué)效應(yīng)的可能性。

幾乎與約翰·克拉克等開展實(shí)驗(yàn)工作的同時，20世紀(jì)80年代初，物理學(xué)家費(fèi)曼就提出了利用量子計(jì)算機(jī)來模擬量子系統(tǒng)。用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜量子系統(tǒng)，需要巨大甚至無法實(shí)現(xiàn)的資源。而量子計(jì)算機(jī)，其基本原理就是量子力學(xué)，因此，模擬量子系統(tǒng)是自然而然的事情。然而，要實(shí)現(xiàn)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)，需要類似經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣的包括CPU、主板等硬件系統(tǒng)。3位諾獎獲得者的工作，證明了經(jīng)過仔細(xì)構(gòu)建的超導(dǎo)電路可以按照量子力學(xué)原理運(yùn)行，而這是能夠進(jìn)一步開展超導(dǎo)量子計(jì)算研究的重要前提！此外，實(shí)驗(yàn)中所用超導(dǎo)電路的設(shè)計(jì)、制備與成熟的半導(dǎo)體工藝十分相似，有些還是兼容的，在可擴(kuò)展、可控性方面有著很好的優(yōu)勢。這個超導(dǎo)電路類似人工原子，其中的量子化能級是可以原位控制和改變的，可以通過直流、射頻、微波等方式，非常方便地對這些人工原子進(jìn)行量子態(tài)的制備、操控和讀取。

量子計(jì)算正在形成相應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈

正是今年諾獎工作建立的核心前提，以及興起于20世紀(jì)90年代的量子計(jì)算研究大潮，讓包括獲獎?wù)咴趦?nèi)的多位物理學(xué)家一起逐漸拉開了超導(dǎo)量子計(jì)算研究的序幕。進(jìn)入21世紀(jì)后，全世界的眾多研究者積極探索，推動了超導(dǎo)量子技術(shù)的快速發(fā)展，在材料、架構(gòu)、性能和理論等方面，都有系統(tǒng)性的進(jìn)步。從最開始的Pb、Al、Nb到現(xiàn)在的Ta；從最早的超導(dǎo)電荷量子比特、磁通量子比特、相位量子比特，到現(xiàn)在各種優(yōu)化的諸如傳輸子量子比特；從最開始的能量弛豫時間幾個納秒到現(xiàn)在的毫秒量級相干時間；從最開始的單個約瑟夫森結(jié)到現(xiàn)在千數(shù)量級的超導(dǎo)量子比特規(guī)模；從早期“玩具型”的量子算法演示，到現(xiàn)今深入開展的量子糾錯研究。眾多技術(shù)的發(fā)展，令人對超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化充滿了期待。

今年諾貝爾物理學(xué)獎的頒發(fā)，一方面會激勵人們在更大物理系統(tǒng)中進(jìn)行宏觀量子力學(xué)效應(yīng)的探索和應(yīng)用研究，諸如在更大空間尺度和更大質(zhì)量的無機(jī)甚至有機(jī)系統(tǒng)中的MQE研究；另一方面也會讓基于超導(dǎo)電路開展基礎(chǔ)物理和潛在應(yīng)用研究的群體更加受到鼓舞，諸如利用超導(dǎo)量子電路開展暗物質(zhì)粒子探測和超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)研究等，繼續(xù)推動相關(guān)技術(shù)的突破。對于有重大應(yīng)用潛力的量子計(jì)算機(jī)研究，一旦超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)或者任何一種通用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了，對于全球的各個領(lǐng)域，特別是國防、經(jīng)濟(jì)、人工智能等領(lǐng)域都會產(chǎn)生極大影響。因此，許多政府都從國家層面制定了量子計(jì)算的發(fā)展規(guī)劃，眾多商業(yè)公司也投入了許多資源開發(fā)量子計(jì)算這一高新技術(shù)。目前，包括超導(dǎo)在內(nèi)的量子計(jì)算，正在形成相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈，未來必將推動更多相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。值得提及的是，諾獎的認(rèn)可，會讓普通大眾對量子力學(xué)現(xiàn)象和超導(dǎo)量子技術(shù)的興趣和認(rèn)識進(jìn)一步提升。同時，我們也注意到，此次諾獎是對基礎(chǔ)量子物理實(shí)驗(yàn)研究的認(rèn)可，并沒有直接授獎于相關(guān)量子信息技術(shù)?？茖W(xué)家們還在努力推動包括超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)研究在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)突破，爭取早日實(shí)用化。

（本文編輯：朱廣清）