量子物理學的重大突破:2025年諾貝爾獎授予宏觀穿隧效應研究

编辑者: Irena I

2025年10月7日,瑞典皇家科學院宣布,將該年度的諾貝爾物理學獎授予約翰·克拉克(John Clarke)、米歇爾·德沃雷(Michel Devoret)以及約翰·馬丁尼斯(John Martinis)三位傑出科學家。他們獲獎的原因,是針對宏觀量子穿隧效應(macroscopic quantum tunneling)以及超導電路中能量量子化現象所進行的基礎性探索與發現。這項開創性的研究工作始於1980年代,其核心意義在於證實了量子效應能夠滲透到比先前認知中更為龐大的系統之中。

這項科學成就的本質,是透過實驗將傳統上僅在原子層級觀察到的量子行為,成功轉移到電路中,使其能夠被直接測量。這三位學者分別代表了加州大學柏克萊分校、耶魯大學和加州大學聖塔芭芭拉分校,他們共同證明了由數十億個粒子組成的集合——即超導體中的庫珀對(Cooper pairs)——能夠作為一個單一的量子實體運作。他們在實驗中使用了微型電路,也就是著名的約瑟夫森接面(Josephson junctions),這種接面結構由兩塊超導體夾著一層極薄的絕緣層構成。

根據古典物理學的理論預測,這樣的電路應該保持斷開狀態,電流無法通過。然而,由於量子穿隧效應的發生,電子能夠以同步的方式穿過這個絕緣屏障,從而產生可測量的電壓。這使得研究人員得以在可以透過顯微鏡觀察的系統中捕捉到精確的量子行為,從而有效地將量子世界的邊界推進至宏觀領域。克拉克、德沃雷和馬丁尼斯的研究,為後續一代技術奠定了堅實的基礎,其中包括約翰·馬丁尼斯後來主導開發的超導量子位元(qubits)。

現今,超導電路已成為開發量子處理器的領先平台之一,Google、IBM和Microsoft等全球科技巨頭都在此領域投入大量資源。諾貝爾委員會特別強調了量子力學的普適性,並指出:「現今沒有一項尖端技術是不依賴量子力學的」。薩拉托夫大學的米哈伊爾·達維多維奇教授對此評論道,觀察這些量子效應所需的極低溫度(低於一開爾文),使得這些超導結構在未來的量子電腦中極具前景,為實現實質的電流密度及其精確控制開闢了新的途徑。

三位獲獎者將共同分享1100萬瑞典克朗(約合120萬美元)的獎金。頒獎典禮預定於2025年12月10日在瑞典首都斯德哥爾摩隆重舉行。這一盛事提醒著世人,那些旨在理解現象本質的最勇敢的科學探索,最終往往會成為推動最實質性技術進步的關鍵催化劑。

來源

  • Frontline

  • Nobel Prize in Physics 2025 - NobelPrize.org

  • John Clarke, Michel Devoret, John Martinis win physics Nobel Prize - The Washington Post

  • Nobel Prize in physics awarded to 3 University of California faculty | University of California

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