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◎ 本報(bào)特約作者 金賢敏，上海交通大學(xué)教授，上海交通大學(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心（IQIT）主任，無錫光子芯片研究院（CHIPX）院長，圖靈量子（TuringQ）創(chuàng)始人      

北京時間10月7日下午，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2025年諾貝爾物理學(xué)獎授予約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯3位科學(xué)家，以表彰他們在電路中發(fā)現(xiàn)了宏觀量子隧穿和能量量子化現(xiàn)象。    

此前，諾貝爾物理學(xué)獎于2012年授予解決觀察個體量子系統(tǒng)挑戰(zhàn)的量子測量，2022年授予解決量子信息傳輸與處理的光量子糾纏，而本次則聚焦于可擴(kuò)展人造系統(tǒng)的宏觀量子效應(yīng)。

長久以來，物理學(xué)界一直存在一個根本問題：量子力學(xué)的規(guī)律能否在宏觀尺度顯現(xiàn)？本次獲獎?wù)叩耐黄菩园l(fā)現(xiàn)回答了這個問題，不僅深化了人類對量子世界的理解，更將量子現(xiàn)象從微觀觀測領(lǐng)域帶入可操控的宏觀工程系統(tǒng)，使人類對量子的操控完成了從原理驗(yàn)證到工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵跨越，為量子計(jì)算技術(shù)革命鋪平了道路，掀開了人類未來擁有無限算力的新篇章。

宏觀量子效應(yīng)突破人類認(rèn)知邊界

經(jīng)典物理世界是宏觀的，物體運(yùn)動是連續(xù)的，相應(yīng)的能量也是連續(xù)的。例如，當(dāng)我們將一個球扔向墻壁，可以直接看到球會彈回，絕不會穿墻而過。然而在量子世界，能量是量子化的，只能一份份吸收或釋放，粒子可以直接穿過障礙物，這就是量子隧穿效應(yīng)。

過去，量子隧穿效應(yīng)被認(rèn)為只存在于微觀的原子或粒子世界。一旦到了由大量粒子組成的宏觀尺度，這些量子效應(yīng)就會消失，物體表現(xiàn)出符合人們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)的經(jīng)典物理行為。

而這次獲獎成果的核心價值在于打破了傳統(tǒng)認(rèn)知的邊界：獲獎?wù)咄ㄟ^精巧的實(shí)驗(yàn)證明，這種量子隧穿效應(yīng)不僅存在于微觀世界，同樣可出現(xiàn)在一個人手可握、包含數(shù)十億粒子的宏觀電路中。

他們構(gòu)建了一個由超導(dǎo)材料制成的電路，中間以極薄絕緣層隔開，形成所謂的“約瑟夫森結(jié)”。在接近絕對零度的極低溫條件下，超導(dǎo)體中的電子會結(jié)合成“庫珀對”，這些庫珀對協(xié)同運(yùn)動，使整個系統(tǒng)表現(xiàn)得像一個單一的量子粒子，即宏觀系統(tǒng)可作為整體發(fā)生量子隧穿，呈現(xiàn)出與微觀粒子完全相同的量子特性。更重要的是，它將量子效應(yīng)從一個只能被動觀察的神奇現(xiàn)象，變成了一個可以通過導(dǎo)線連接、測量和控制的工程化系統(tǒng)，為量子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定了關(guān)鍵的物理基礎(chǔ)。

人類量子操控能力厚積薄發(fā)

1928年，物理學(xué)家喬治·伽莫夫發(fā)現(xiàn)量子隧穿是某些原子核衰變的原因。20世紀(jì)70年代，超導(dǎo)理論（BCS理論）和約瑟夫森結(jié)的提出為宏觀量子現(xiàn)象提供了理論可能。

20世紀(jì)80年代中期，在美國加州大學(xué)伯克利分校，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯團(tuán)隊(duì)針對宏觀量子現(xiàn)象進(jìn)行鉆研，他們面臨的最大挑戰(zhàn)是如何在嘈雜環(huán)境中捕捉脆弱的量子效應(yīng)：任何微小的熱擾動或電磁噪聲都會破壞脆弱的量子態(tài)，使得宏觀量子效應(yīng)無法被觀測到。通過精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的電磁屏蔽，他們最終在1984-1985年完成了這一里程碑實(shí)驗(yàn)：向系統(tǒng)注入微波時，他們發(fā)現(xiàn)它只吸收特定能量的微波，從而從一個能級“跳”到更高能級，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從零電壓狀態(tài)躍遷到有電壓狀態(tài)，證明了這個宏觀系統(tǒng)的能量是量子化的。

理論物理學(xué)家安東尼·萊格特將他們的宏觀量子系統(tǒng)與著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)相比較。在該思想實(shí)驗(yàn)中，貓?zhí)幱凇凹人烙只睢钡寞B加態(tài)，而獲獎?wù)叩膶?shí)驗(yàn)在某種程度上將這一思想實(shí)驗(yàn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，盡管其系統(tǒng)比一只貓小得多，但測量的是整個系統(tǒng)的量子性質(zhì)。

這項(xiàng)研究最直接的影響在于為量子計(jì)算技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。獲獎?wù)咧患s翰·M·馬蒂尼斯后來成為谷歌量子人工智能團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了重大突破，在隨機(jī)線路采樣任務(wù)中200秒完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)需1萬年的運(yùn)算，全球首次宣稱實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

百年量子世界的回響

這項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)突破為未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶來了廣闊前景，推動了量子計(jì)算技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，其影響不亞于核聚變技術(shù)對人類社會的改變。

量子計(jì)算的量子比特?cái)?shù)每增加一個，算力將翻倍，一旦突破49個量子比特，算力可超過最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，其顛覆性能力將為人類擁有無限算力帶來可能。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)已成功研制出“九章三號”和“祖沖之三號”量子計(jì)算原型機(jī)，并成功越過“量子計(jì)算優(yōu)越性”；上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)已制備出世界最大規(guī)模三維光量子計(jì)算芯片，并完成了56個光子的“量子計(jì)算優(yōu)越性”演示；上海交大無錫光子芯片研究院（CHIPX）已建成啟用了自主可控的國內(nèi)首條光子芯片中試線，在全球量子科技競爭中占據(jù)了身位優(yōu)勢；量子計(jì)算龍頭企業(yè)圖靈量子已推出全球首款商用科研級光量子計(jì)算機(jī)。這些成果使我國成為世界上唯一在超導(dǎo)量子和光量子兩條技術(shù)路線上均實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家。量子計(jì)算在藥物研發(fā)、材料科學(xué)、金融科技和人工智能等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，將為全人類的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展乃至社會文明帶來顛覆性變革。

正如諾貝爾物理學(xué)獎委員會主席奧勒·埃里克松所言：“量子力學(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)。”各國政府和科技巨頭紛紛加大投入，谷歌、IBM、微軟等公司競相開發(fā)量子計(jì)算平臺，PsiQuantum等創(chuàng)業(yè)公司不斷涌現(xiàn)，發(fā)展迅猛。量子科技的發(fā)展正迎來百年一遇的契機(jī)，但最終全球玩家誰能問鼎，關(guān)鍵在于持續(xù)的科研投入、中試量產(chǎn)能力建設(shè)和優(yōu)勢場景的應(yīng)用落地。

2025年是量子力學(xué)誕生100周年，也是聯(lián)合國教科文組織確定的“國際量子科學(xué)與技術(shù)年”。從2012年獲獎的基于中性原子和離子阱的量子測量，到2022年獲獎的光量子糾纏驗(yàn)證，再到今年獲獎的超導(dǎo)宏觀量子電路，一條清晰的產(chǎn)業(yè)路徑正在展開，并已發(fā)展成為當(dāng)下量子計(jì)算的主流路徑。我們有理由相信，宏觀量子現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)將成為人類掌控量子力量的關(guān)鍵一步，量子科技有望在未來10年內(nèi)，像今天的人工智能一樣，成為重塑全球經(jīng)濟(jì)格局的核心驅(qū)動力，為無限算力的人類文明新紀(jì)元奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（本文編輯：朱廣清）