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◎ 本報(bào)特約作者 金貽榮，北京量子信息科學(xué)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(xué)獎(jiǎng)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?cè)诤暧^量子隧穿和電路量子化方面的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。這幾位開(kāi)拓者通過(guò)超導(dǎo)電路，將量子效應(yīng)從微觀原子尺度擴(kuò)展到宏觀尺度，標(biāo)志著量子力學(xué)在更大系統(tǒng)中的應(yīng)用突破。正是這些突破，讓基于超導(dǎo)電路的量子器件在量子計(jì)算和量子精密測(cè)量領(lǐng)域大展身手。    

2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者的高度評(píng)價(jià)

本次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，源于這3位科學(xué)家在1985年合作先后發(fā)表于物理評(píng)論快報(bào)（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(jié)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(jié)中宏觀量子隧穿測(cè)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(cè)到宏觀變量——約瑟夫森相位在一個(gè)處于零電壓態(tài)的電流偏置約瑟夫森結(jié)中的量子化，即形成分立的能級(jí)。這些能級(jí)的位置與量子力學(xué)計(jì)算結(jié)果高度相符；第二篇論文則在相同的體系中明確觀測(cè)到了宏觀量子隧穿現(xiàn)象。這些工作證明了量子力學(xué)不限于原子尺度，而是可擴(kuò)展到可見(jiàn)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(xué)奠基。

1988年，這個(gè)團(tuán)隊(duì)又在《科學(xué)》雜志（Science）上發(fā)表了一篇名為《宏觀變量的量子力學(xué)：約瑟夫森結(jié)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(guò)測(cè)量低溫下電流偏置的約瑟夫森結(jié)從零電壓狀態(tài)向有阻態(tài)的逃逸率，與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)高度相符，“沒(méi)有任何可調(diào)參數(shù)”，確認(rèn)了約瑟夫森結(jié)相位差是一個(gè)宏觀量子變量。在論文的摘要中，他們自稱這是一個(gè)“用線接起來(lái)的宏觀原子”。彼時(shí)，德沃雷和馬蒂尼斯已經(jīng)前往法國(guó)薩克雷原子能研究所從事獨(dú)立的研究。萊格特教授（2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）對(duì)此評(píng)價(jià)頗高，認(rèn)為這比能級(jí)量子化更重要。

這一突破性進(jìn)展，為后續(xù)基于超導(dǎo)量子電路量子化的大量開(kāi)創(chuàng)性進(jìn)展特別是超導(dǎo)量子計(jì)算，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。電流偏置的約瑟夫森結(jié)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(dǎo)電路量子化的確立，使得人們可以利用超導(dǎo)量子電路構(gòu)造“人工原子”：它具有可設(shè)計(jì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)的相互作用強(qiáng)度，以及可設(shè)計(jì)的與外部電磁場(chǎng)的耦合強(qiáng)度，使得構(gòu)造可控的人工量子體系用于量子信息處理成為可能。

未來(lái)很可能開(kāi)創(chuàng)萬(wàn)億級(jí)新市場(chǎng)

利用約瑟夫森效應(yīng)中奇特的非線性和電路量子化，還可以用來(lái)構(gòu)造各種精密測(cè)量工具，其中最著名的當(dāng)屬“超導(dǎo)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(yīng)用的大力推廣者。克拉克年輕時(shí)對(duì)無(wú)線電技術(shù)著迷，曾自制業(yè)余無(wú)線電設(shè)備，并在英國(guó)劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)室“搗鼓”超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致過(guò)一次小爆炸——這讓他意識(shí)到量子隧穿的“不可預(yù)測(cè)性”，也成為他日后研究的靈感來(lái)源。后來(lái)，他將SQUID應(yīng)用于腦磁圖成像，半開(kāi)玩笑地說(shuō)：“我從監(jiān)聽(tīng)無(wú)線電，變成了監(jiān)聽(tīng)大腦的量子信號(hào)！”

米歇爾·H·德沃雷的主要貢獻(xiàn)在于開(kāi)創(chuàng)宏觀量子隧穿實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建“電路量子電動(dòng)力學(xué)”（circuit QED）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人工原子操控。德沃雷在美國(guó)耶魯大學(xué)開(kāi)創(chuàng)的研究組，如今已經(jīng)成為超導(dǎo)量子電路、超導(dǎo)量子操控和計(jì)算領(lǐng)域的搖籃，散落在世界各地、近半數(shù)的超導(dǎo)量子團(tuán)隊(duì)，都出身于這個(gè)偉大的研究組，這其中包括IBM量子部門。

獲獎(jiǎng)的3人中，約翰·M·馬蒂尼斯是最具工程化能力的一位科學(xué)家，他是一位狂熱的電子愛(ài)好者，并喜歡約瑟夫森結(jié)及其電路所帶來(lái)的奇特電路效應(yīng)，最早在“相位量子比特”——接近臨界偏置的約瑟夫森結(jié)中發(fā)現(xiàn)了量子相干振蕩。他還在兩個(gè)相位量子比特之間實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離（10cm尺度）的相互作用，進(jìn)一步拓展宏觀量子效應(yīng)的尺度。2014年，他帶著他在美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的團(tuán)隊(duì)加入谷歌開(kāi)創(chuàng)了谷歌的量子AI團(tuán)隊(duì)，并在2019年推出橫空出世的“懸鈴木”量子芯片，在53個(gè)量子比特中首次展示“量子霸權(quán)”。

2025年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予這3位宏觀量子隧穿和電路量子化及其應(yīng)用的先驅(qū)，無(wú)疑是實(shí)至名歸的。正是這些開(kāi)創(chuàng)性的工作，才使得人們今天距離實(shí)用量子計(jì)算如此之近。超導(dǎo)量子計(jì)算已經(jīng)成為目前最有前景的技術(shù)路線之一，已經(jīng)進(jìn)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(dǎo)量子計(jì)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(xué)獎(jiǎng)，除了其深遠(yuǎn)的基礎(chǔ)科學(xué)意義外，未來(lái)很可能在量子計(jì)算和量子精密測(cè)量領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)萬(wàn)億級(jí)的新市場(chǎng)。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(dǎo)電路——一個(gè)展望（Superconducting Circuits for Quantum Information - An Outlook）》中的一段話作為結(jié)尾：

……在過(guò)去不到20年里，我們見(jiàn)證了量子計(jì)算，以及其他量子信息處理方面如此多的進(jìn)展，以至于（量子計(jì)算）看上去很可能在我們有生之年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，盡管仍有大量的新探索和技術(shù)創(chuàng)新等待著我們。

（本文編輯：朱廣清）