2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三位獲獎(jiǎng)?wù)叩膶＠c產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和約翰·M·馬蒂尼斯（John M. Martinis）三位科學(xué)家，以表彰他們“在電路中發(fā)現(xiàn)了宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)和能量量子化現(xiàn)象”。通俗地說，他們的實(shí)驗(yàn)在一個(gè)可以拿在手里的電路芯片上直接觀察到了量子力學(xué)效應(yīng)，證明即使是肉眼可見的宏觀電路也能表現(xiàn)出典型的量子行為。這一成果被評(píng)價(jià)為點(diǎn)亮了量子計(jì)算的基石，為新一代量子技術(shù)，如量子密碼、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器的發(fā)展打開了大門。

在經(jīng)典物理中，粒子要越過能量屏障必須具備足夠高的能量；但量子力學(xué)預(yù)言微觀粒子可以憑借隧穿效應(yīng)，有一定概率直接穿過能量屏障。克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯通過精巧設(shè)計(jì)的超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)電路證實(shí)了這一奇異原理在宏觀尺度下依然成立：他們讓超導(dǎo)電路中的“宏觀粒子態(tài)”陷在零電壓的能量阱中，隨后觀測(cè)到該宏觀量子態(tài)可以通過隧穿躍遷到有電壓的狀態(tài)，并以電路中出現(xiàn)電壓信號(hào)的方式檢測(cè)到了這種躍遷。同時(shí)，他們還測(cè)量到能量量子化現(xiàn)象：電路中的能量只能取特定的離散數(shù)值，這意味著單個(gè)約瑟夫森結(jié)就像原子一樣具有分立能級(jí)。這些發(fā)現(xiàn)首次在實(shí)驗(yàn)上證明，大量電子組成的整體可以作為一個(gè)量子態(tài)來行為，量子力學(xué)規(guī)律并不局限于微觀世界。

上述實(shí)驗(yàn)是在1984-1985年間完成的。當(dāng)時(shí)三位獲獎(jiǎng)?wù)邩?gòu)建了一個(gè)由超導(dǎo)材料組成的環(huán)狀電路，并在其上制造出一個(gè)超薄的絕緣層形成約瑟夫森結(jié)，精確控制并測(cè)量電路的各項(xiàng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，該超導(dǎo)環(huán)路中的所有電荷載流子可以協(xié)同作用，形成一個(gè)充滿整個(gè)電路的宏觀量子態(tài)。這個(gè)宏觀量子態(tài)初始被困在零電壓（超導(dǎo)電流不產(chǎn)生電壓降）的穩(wěn)定狀態(tài)中，就好比被勢(shì)壘鎖住。然而正如量子力學(xué)所預(yù)言的那樣，該宏觀態(tài)能夠通過隧穿機(jī)制逃離“困境”，跨越能量勢(shì)壘到達(dá)有電壓的狀態(tài)——電路兩端瞬間出現(xiàn)了可觀測(cè)的電壓，這正是宏觀量子隧穿的直接證據(jù)。緊接著，研究人員進(jìn)一步驗(yàn)證了電路只能吸收或發(fā)射特定量子的能量（即能級(jí)量子化），完全符合量子理論的預(yù)言。這一系列開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)打破了量子行為僅存在于微觀世界的傳統(tǒng)觀念，在宏觀尺度上印證了量子力學(xué)原理，為量子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用開辟了關(guān)鍵路徑。

三位獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ髟趯W(xué)術(shù)上和技術(shù)上都有深遠(yuǎn)影響。他們第一次證明肉眼可見大小的電路也能夠表現(xiàn)出量子現(xiàn)象，回答了量子物理領(lǐng)域關(guān)于“量子效應(yīng)究竟能在多大尺度上出現(xiàn)”的重大問題。更重要的是，他們的實(shí)驗(yàn)奠定了超導(dǎo)量子器件的物理基礎(chǔ)。

他們的成果直接催生了人工原子超導(dǎo)量子比特的概念。這為人工制的量子比特的構(gòu)造奠定了基礎(chǔ)，最終引領(lǐng)到我們今天所看到的量子技術(shù)工作。此后不久，研究者們受這一實(shí)驗(yàn)啟發(fā)，在電路中設(shè)計(jì)出了可以充當(dāng)量子二能級(jí)系統(tǒng)的超導(dǎo)量子比特元件。例如德沃雷特和耶魯同事在2002年設(shè)計(jì)出抗環(huán)境噪聲的Transmon超導(dǎo)量子比特，這種人工原子能夠穩(wěn)定地保持量子態(tài)，其發(fā)明迅速被全球各大實(shí)驗(yàn)室采用，成為超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的核心單元設(shè)計(jì)。可以說，克拉克、德沃雷特、馬蒂尼斯三位作為超導(dǎo)量子電路領(lǐng)域的重要奠基人，推動(dòng)了第二次量子革命浪潮。目前，無論在量子計(jì)算的可擴(kuò)展性還是在量子態(tài)的相干控制方面，他們開創(chuàng)的超導(dǎo)量子電路路線都展現(xiàn)出巨大潛力。

晶體管等微電子器件本質(zhì)上都是量子技術(shù)的產(chǎn)物，而今年的物理學(xué)獎(jiǎng)則為下一代量子技術(shù)（包括量子密碼通信、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器）提供了發(fā)展的契機(jī)。

獲獎(jiǎng)成果所基于的超導(dǎo)量子器件原理，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已逐步走出實(shí)驗(yàn)室，轉(zhuǎn)化為實(shí)際技術(shù)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。在專利方面，三位科學(xué)家及其團(tuán)隊(duì)均有諸多相關(guān)發(fā)明。約翰·克拉克早年在超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）技術(shù)領(lǐng)域作出重大貢獻(xiàn)，其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的超導(dǎo)量子傳感器被用于超低場(chǎng)核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）設(shè)備，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。專利號(hào)為US6023161A，題目為“低噪聲SQUID”，利用 DC SQUID 磁強(qiáng)計(jì)在微特斯拉場(chǎng)中檢測(cè)核磁共振信號(hào)，預(yù)極化磁場(chǎng)僅在毫特斯拉級(jí)，使 MRI 掃描儀體積小、成本低；可用于檢測(cè)人體關(guān)節(jié)、早期腫瘤篩查、油井測(cè)井等。

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米歇爾·德沃雷特則專注于超導(dǎo)量子電路的量子信息處理，他與合作者發(fā)明了多種提高量子比特性能的電路設(shè)計(jì)。例如，他團(tuán)隊(duì)提出將兩種不同類型的超導(dǎo)量子比特相耦合以相互抵消不良非線性，從而實(shí)現(xiàn)高保真度操作的約瑟夫森非線性電路，并于2023年獲得了美國(guó)專利授權(quán)。這些創(chuàng)新為超導(dǎo)量子芯片的大規(guī)模集成和誤差校正提供了重要技術(shù)支撐。相關(guān)專利號(hào)為US12364169B2，題目為非線性特性的振蕩器，提出了一種新型量子振蕩器設(shè)計(jì)和操作方法，該方法通過減少量子振蕩器的裸非線性，使其低于傳統(tǒng)認(rèn)為的必要水平，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)整到偏離非線性振蕩器典型驅(qū)動(dòng)頻率的值。這種調(diào)整后的驅(qū)動(dòng)頻率可能與傳統(tǒng)頻率大不相同，甚至可能是預(yù)期會(huì)導(dǎo)致低相干時(shí)間的頻率，但在減少非線性的設(shè)計(jì)下，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的相干時(shí)間。

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在產(chǎn)業(yè)界，這些奠基性的研究同樣得到迅速應(yīng)用。約翰·馬蒂尼斯作為谷歌量子計(jì)算項(xiàng)目的領(lǐng)軍人物，將超導(dǎo)量子比特從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推向了工程實(shí)現(xiàn)的新階段。2014年，他帶領(lǐng)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的一支團(tuán)隊(duì)整體加入谷歌，開始研制大規(guī)模超導(dǎo)量子處理器。此后幾年內(nèi)，馬蒂尼斯團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一系列關(guān)鍵工藝，例如低溫下穩(wěn)定連接上百條控制線的量子芯片封裝技術(shù)，并據(jù)此申請(qǐng)了多項(xiàng)專利：例如，他們?cè)O(shè)計(jì)的一種用于量子硬件的T型接頭連接器有效提升了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴Ｖ档靡惶岬模嚓P(guān)發(fā)明由谷歌公司申請(qǐng)，并于2025年7月獲批美國(guó)專利。在馬蒂尼斯的主導(dǎo)下，谷歌于2019年成功研制出53比特的超導(dǎo)量子計(jì)算芯片Sycamore。專利號(hào)為US12361306B2，題目為量子計(jì)算系統(tǒng)的T型接頭。用于將柔性電路板通過真空腔連接到量子硬件的 T 形彈簧接頭，采用超導(dǎo)彈簧互連，提高了量子芯片封裝的穩(wěn)定性，是大規(guī)模量子處理器封裝技術(shù)的關(guān)鍵部件。

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這些成果充分證明了宏觀量子現(xiàn)象具有巨大的應(yīng)用價(jià)值：從高靈敏度的SQUID磁傳感器、生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，到當(dāng)今科技巨頭競(jìng)相研制的量子計(jì)算機(jī)核心芯片，無不建立在他們開創(chuàng)的量子電路原理之上。

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