對(duì)于量子力學(xué)領(lǐng)域而言，一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題是：能夠展現(xiàn)量子力學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)最大尺寸是多少？
10月7日，瑞典斯德哥爾摩傳來(lái)重磅消息，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了英國(guó)科學(xué)家約翰·克拉克（John Clarke）、美國(guó)科學(xué)家約翰·馬蒂尼斯（John M. Martinis）和法國(guó)科學(xué)家米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret），以表彰他們?cè)诹孔恿W(xué)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)——“發(fā)現(xiàn)宏觀量子隧道效應(yīng)和電能的量子化”。 三位獲獎(jiǎng)?wù)邔⑵椒?100萬(wàn)瑞典克朗（約合836萬(wàn)元人民幣）獎(jiǎng)金。
圖自：央視新聞
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)在頒獎(jiǎng)聲明中指出，這三位科學(xué)家通過(guò)一系列開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，首次在宏觀尺度上驗(yàn)證了量子力學(xué)的奇異特性，證明了量子效應(yīng)不僅局限于原子和亞原子層面，也能在由數(shù)百萬(wàn)粒子組成的、足以握在手中的超導(dǎo)系統(tǒng)中清晰體現(xiàn)。
獲獎(jiǎng)背景
量子力學(xué)，這一描述微觀世界奇異特性的科學(xué)理論，自誕生以來(lái)便不斷挑戰(zhàn)著人類(lèi)的認(rèn)知邊界。它揭示了粒子在極小尺度下的反直覺(jué)行為，例如疊加態(tài)（一個(gè)粒子同時(shí)處于多種狀態(tài)）和量子隧穿效應(yīng)（粒子無(wú)需翻越勢(shì)壘即可“穿墻而過(guò)”）等。
在經(jīng)典物理中，一個(gè)球撞擊墻壁會(huì)反彈回來(lái)；但在量子世界，粒子有一定的概率直接穿過(guò)墻壁，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“量子隧穿”。然而，這種效應(yīng)在宏觀世界中似乎完全消失，物體遵循的是牛頓力學(xué)的確定性規(guī)律。
對(duì)于量子力學(xué)領(lǐng)域而言，一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題是：能夠展現(xiàn)量子力學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)最大尺寸是多少？
20世紀(jì)80年代，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬蒂尼斯三位科學(xué)家通過(guò)一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，成功地在宏觀尺度上觀測(cè)到了量子隧穿效應(yīng)。他們利用超導(dǎo)體構(gòu)建了一個(gè)包含數(shù)十億個(gè)“庫(kù)珀對(duì)”（即成對(duì)出現(xiàn)的電子）的電路系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)雖然尺寸僅約一厘米，卻展現(xiàn)出了量子世界的奇異特性。實(shí)驗(yàn)中，超導(dǎo)體中的所有帶電粒子協(xié)同運(yùn)動(dòng)，仿佛一個(gè)單一的量子實(shí)體，能夠直接“穿越”電路中的障礙，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，正如微觀粒子能夠穿越墻壁一樣。
更為驚人的是，他們的研究還證實(shí)了電能的量子化。實(shí)驗(yàn)顯示，這個(gè)宏觀系統(tǒng)吸收和釋放的能量是離散的、精確的，即只能以特定的、離散的能量值進(jìn)行。這與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)完全一致，不僅驗(yàn)證了量子理論在宏觀尺度的適用性，也為后續(xù)的量子技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
瑞典皇家科學(xué)院在聲明中強(qiáng)調(diào)：“他們的實(shí)驗(yàn)表明，‘量子世界的奇異特性’可以在手掌大小的系統(tǒng)中具體體現(xiàn)出來(lái)。” 這一突破性成果徹底改變了人們對(duì)量子與經(jīng)典世界邊界的理解。
獲獎(jiǎng)?wù)?/b>的科研歷程
盡管這些關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)完成于20世紀(jì)80年代，但其影響深遠(yuǎn)，直接催生了現(xiàn)代量子信息科學(xué)，尤其是超導(dǎo)量子計(jì)算的發(fā)展。
約翰·克拉克：1942年生于英國(guó)劍橋。1968年獲英國(guó)劍橋大學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)為美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授。作為超導(dǎo)性和超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威，克拉克的研究涵蓋了低溫物理和超導(dǎo)電子學(xué)的多個(gè)方面。他最為人知的貢獻(xiàn)是發(fā)明和改進(jìn)了超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID），這一極其靈敏的磁通量-電壓轉(zhuǎn)換器在凝聚態(tài)物理、地球物理學(xué)、天體物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。克拉克在加州大學(xué)伯克利分校組建了強(qiáng)大的研究團(tuán)隊(duì)，為超導(dǎo)量子計(jì)算的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
米歇爾·德沃雷：1953年生于法國(guó)巴黎。1982年獲法國(guó)巴黎南大學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)為美國(guó)紐黑文耶魯大學(xué)及加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授。被譽(yù)為“量子電子學(xué)（Quantronics）”的奠基人之一，德沃雷長(zhǎng)期致力于理解超導(dǎo)電路中量子非平衡物理的基本機(jī)制。他在法國(guó)高等師范學(xué)院和美國(guó)耶魯大學(xué)任職期間，為量子計(jì)算與量子傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用研究做出了重要貢獻(xiàn)。德沃雷的研究不僅深化了人們對(duì)量子世界的理解，更為量子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。
約翰·馬蒂尼斯：1958年出生。1987年獲美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位。現(xiàn)為美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授。作為谷歌AI量子實(shí)驗(yàn)室的前首席科學(xué)家，馬蒂尼斯在量子計(jì)算領(lǐng)域享有盛譽(yù)。他在博士期間便研究了約瑟夫森結(jié)中相位差的量子行為，首次證明了宏觀電路系統(tǒng)可以表現(xiàn)出量子隧穿與能級(jí)離散化等量子特征。馬蒂尼斯不僅在科研領(lǐng)域?qū)覄?chuàng)里程碑，更在工程化和量子計(jì)算的落地應(yīng)用上發(fā)揮了核心作用。2019年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”（quantum supremacy），標(biāo)志著量子計(jì)算發(fā)展史上的重要里程碑。
科學(xué)意義與未來(lái)展望
今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果不僅深化了人們對(duì)物理世界的理解，更為開(kāi)發(fā)新一代量子技術(shù)提供了可能。量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器等下一代量子技術(shù)的發(fā)展，將極大地推動(dòng)信息科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步。
正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席奧勒·埃里克森所言：“能夠慶祝百年量子力學(xué)不斷帶來(lái)新的驚喜，真是太棒了。它也意義非凡，因?yàn)榱孔恿W(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)。”隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信，一個(gè)更加智能、高效的未來(lái)正在向我們走來(lái)。
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