百年量子探索终获诺奖：宏观量子隧穿的发现有多重要？

图1 2025年诺贝尔物理学奖获奖人与获奖理由

自量子力学诞生之日起，“量子世界与经典世界的边界在哪” 这一问题就像一团迷雾，萦绕在物理学家心头。薛定谔用一只 “既死又活” 的猫，将量子力学的核心假定 —— 波函数，推向宏观尺度的极端场景：理论上，密闭盒子里的猫可处于死态与活态的叠加，但现实中我们永远只能看到单一结果。这一矛盾直指核心：量子力学是否存在尺度极限？若无法直接应用于日常宏观世界，它会在哪个尺度失效？是存在清晰边界，还是存在渐进过渡的模糊地带？

一、从理论预言到宏观量子态：玻色 - 爱因斯坦凝聚与超导的突破

量子力学的基本公设本身就存在难以调和的矛盾：波函数遵循幺正演化，过程可逆；而测量行为却是非幺正的，过程不可逆。这种割裂甚至催生了 “意识决定现实” 的争议 —— 若没有 “人” 这个观测者，世界是否会失去确定形态？爱因斯坦对此坚决反对，他坚信物理定律应具备 “协变性”，不应依赖特殊实体或观测行为。
早在 1920 年代，爱因斯坦与玻色的研究就为宏观量子态埋下伏笔。他们推测，玻色子在极低温下会集体 “坠入” 最低能量量子态，形成全新物态。数十年后，这一预言被证实为 “玻色 - 爱因斯坦凝聚态（BEC）”—— 一种典型的宏观量子态。1995 年，康奈尔、威曼用激光冷却与磁阱技术，将铷 - 87 原子冷却至 170nK（百万分之一开尔文以下），首次造出 BEC；克特勒紧随其后实现钠原子大规模凝聚，三人因此共享 2001 年诺贝尔物理学奖。
但 BEC 的突破仍有局限：即便拓展到 “万原子” 规模，与宏观物质动辄 10²³ 个原子的量级相比，仍如沧海一粟。真正将量子效应推向日常尺度的，是另一种宏观量子现象 —— 超导。自 20 世纪初被发现以来，“室温超导体” 始终是物理学界的 “圣杯”：当温度低于临界值，超导材料电阻骤降为零，同时出现完全抗磁效应。
BCS 理论的提出，揭开了常规超导的微观面纱，且意外地将其与 BEC 关联起来：低温下，电子在晶格中运动时，会与晶格场相互作用，形成动量相反、自旋相反的 “库珀对”。库珀对总自旋为零，具备玻色子特性，低温下会集体处于基态；更关键的是，库珀对尺寸大、波函数高度重叠，可由同一个波函数描述 —— 这意味着超导体中的库珀对形成了 “宏观量子凝聚态”。
与原子 BEC 相比，超导凝聚态不仅温度更高，参与的电子数量更是达到日常物质规模。但 2003 年诺奖得主安东尼・莱格特指出：这些宏观凝聚态仍不足以证明量子力学适用于宏观系统 —— 它们缺乏 “宏观不同状态的量子叠加”，而这正是 “薛定谔的猫” 的核心特征。要真正突破量子与经典的边界，必须在宏观尺度造出 “猫态”。

二、约瑟夫森效应：宏观量子叠加的关键窗口

要观测宏观量子叠加，需找到两个宏观量子态相互作用的体系。1962 年，当时还是学生的布莱恩・约瑟夫森提出了关键思路：超导波函数可在绝缘体中存在，库珀对能 “隧穿” 过绝缘层 —— 这就是 “约瑟夫森效应”。
若将两个超导体用薄绝缘层（厚度通常＜10 纳米，隧穿几率随厚度指数下降）分隔，就构成 “约瑟夫森结”。绝缘层让两侧超导波函数保持独立，却又能通过隧穿发生相干叠加，由此产生一系列奇特的量子效应。但问题随之而来：如何证明约瑟夫森结中的宏观变量（如库珀对数量、相位）是量子化的？如何在其中造出 “薛定谔的猫”？
1978 年，莱格特在《超低温物理学展望》中提出猜想：超导电路或许能实现宏观量子隧穿 —— 因其电阻极小，与环境耦合弱，可减少量子态的 “退相干”（量子态因与环境作用失去叠加性的过程）。随后，他与博士生阿米尔・卡德拉合作，研究了弱耦合下系统与耗散环境的相互作用，为宏观量子隧穿研究奠定理论基础。最初莱格特考虑的是超导量子干涉仪（SQUID）环路，但后来发现：电流偏置的约瑟夫森结，是更简单、更理想的研究对象。

图2（a）是一个电流偏置的约瑟夫森结示意图，图中的散点阴影区表示超导体，中间的斜线阴影区则表示薄的绝缘层。（b）是它的等效电路示意图，一个实际的约瑟夫森结可以表示为一个电容c、一个理想的约瑟夫森结，以及一个电阻的并联结构。在零电压状态，这个电阻可以忽略。

三、实验突破：克拉克团队的 “宏观原子” 验证

1980 年代初，已有研究组尝试在电流偏置约瑟夫森结中寻找宏观量子隧穿证据：通过改变偏置电流，测量结从零电压态向有阻态的 “逃逸率”—— 若进入量子区域，低温下逃逸率应偏离热激发规律，趋于稳定值。但这些实验存在致命缺陷：无法排除黑体辐射等噪声的干扰，结论缺乏说服力。
真正的突破来自约翰・克拉克、德沃雷与马蒂尼斯团队。克拉克的科研生涯充满传奇：早年痴迷无线电，曾自制设备；在剑桥大学做超导实验时，一次小爆炸让他意识到量子隧穿的 “不可预测性”，也成为他后续研究的灵感来源。1969 年加入加州大学伯克利分校后，他带领团队专注于约瑟夫森结实验，最终用两项关键设计解决了噪声难题：

精密滤波技术：开发 “铜粉滤波器”，在 0.1-12GHz 频段实现超过 200dB 的微波衰减，大幅降低外部噪声干扰；
对比实验设计：用超导线圈 “抑制” 约瑟夫森结的临界电流，使其变成普通结 —— 在电路参数不变的情况下，对比约瑟夫森结与普通结的逃逸率温度曲线，彻底排除了噪声干扰的可能性。

图3宏观量子隧穿几率在量子状态（黑点）与经典状态（黑圈）下的区别。这一实验确定无疑地证明了宏观量子隧穿的存在，以及约瑟夫森结相位是一个宏观量子变量。

1985 年，三人在《物理评论快报》（PRL）连发两篇论文，奠定实验基础：

第一篇《零电压状态下的电流偏置约瑟夫森结中的能量量子化》，首次观测到约瑟夫森相位的量子化 —— 结的能级呈分立状态，且位置与量子力学计算高度吻合；
第二篇《零电压状态下的电流偏置约瑟夫森结中宏观量子隧穿测量》，明确观测到宏观量子隧穿现象，证明逃逸率的低温行为完全符合量子规律。

图4克拉克、德沃雷和马蒂尼斯的实验装置。实验是在一台稀释制冷机中进行的，约瑟夫森结安装在稀释制冷机的混合室内，电流偏置线路、操控的微波线路、信号读取线路都进行了非常细致的滤波，很多滤波技术沿用至今天的超导量子计算系统中。

1988 年，他们在《科学》（Science）发表更具里程碑意义的论文《宏观变量的量子力学：约瑟夫森结的相位差》。实验中，低温下结的逃逸率与量子力学预测 “无任何可调参数” 地吻合，彻底确认：约瑟夫森结的相位差，是一个宏观量子变量。他们在论文摘要中形象地将这个系统称为 “用线接起来的宏观原子”—— 这是人类首次在宏观尺度上，证明量子力学的核心规律仍成立。
莱格特对此评价极高，认为这一成果比能级量子化更重要：它不仅验证了宏观量子隧穿，更打破了 “量子只适用于微观” 的固有认知，为后续研究打开了大门。电流偏置约瑟夫森结本身，也成为早期 “相位量子比特” 的雏形，为超导量子计算埋下伏笔。

四、从宏观量子到超导量子计算：诺奖成果的深远影响

克拉克团队的突破，并非孤立的实验发现，而是开启了一个全新的研究领域 —— 可控宏观量子体系。1999 年，日本理化研究所蔡兆申团队的中村泰信，在 “库珀对盒子”（超导小岛）中观测到量子相干振荡，这是首个公认的 “超导量子比特”—— 一只存活时间不足 3 纳秒的 “薛定谔小猫”，正式拉开超导量子计算的序幕。
2025 年诺奖公布后，有人质疑 “给早了”，认为超导量子计算机尚未实用化。但这种观点忽略了成果的核心物理意义：克拉克三人的工作，首先解决的是 “量子与经典边界” 这一基础物理问题 —— 他们证明，量子与经典世界不存在清晰边界；宏观尺度之所以没有 “薛定谔的猫”，只是因为宏观物体与环境耦合太强，“猫态” 退相干速度快到无法观测。只要系统与环境耦合足够弱，无论尺度多大，都能保持量子特性。
也有人为中村泰信鸣不平，但从诺奖的评选逻辑来看，克拉克团队的成果具有更普适的奠基意义：他们确立的 “宏观量子隧穿” 与 “人工原子” 概念，不仅催生了超导量子计算，更提供了一种 “可控量子平台”—— 这种平台的能级结构、相互作用强度、与电磁场的耦合，都可通过设计调节，为量子模拟、精密测量等领域提供了理想工具。
克拉克本人并未深耕超导量子计算，而是将精力投入到 SQUID（超导量子干涉仪）的应用推广中 —— 他是 SQUID 的发明者之一，将其用于脑磁图成像，半开玩笑地说 “从监听无线电，变成了监听大脑的量子信号”；他还制造了噪声最低的 DC-SQUID，用于暗物质探测，并撰写《SQUID 手册》，成为该领域的经典著作。
德沃雷则在量子计算领域持续开拓：1980 年代后期赴法国萨克雷原子能研究所，成立 “量子电子学（Quantroncis）” 团队，发明电子泵、观测库珀对电荷；2002 年加入耶鲁大学后，构建 “电路量子电动力学（circuit QED）” 系统，实现人工原子的精准操控；如今超导量子计算中广泛使用的 “Transmon 量子比特”，正是他的学生科赫等人在其团队中提出的。耶鲁团队也因此成为超导量子领域的 “摇篮”，IBM 量子部门等机构的核心成员多出自这里。
三人中，马蒂尼斯是最具工程化思维的科学家。他早年痴迷电子技术，最早在相位量子比特中发现量子相干振荡，还实现了 10 厘米尺度下两个相位量子比特的纠缠，进一步拓展了宏观量子效应的尺度。2014 年，他带领团队加入谷歌，创立量子 AI 团队，2019 年推出 53 比特 “悬铃木” 芯片，首次展示 “量子霸权”；2024 年底，其团队后续推出 105 比特 “Willow（垂柳）” 芯片，将 “量子霸权” 提升至 “5 分钟 vs.10²⁵年”，还实现了表面码量子纠错的盈亏平衡点突破 —— 这是量子计算走向实用化的关键一步。离开谷歌后，马蒂尼斯创立 Qolab 公司，试图将超导量子经验应用于半导体加工，推动量子芯片的工业化。

五、结语：量子革命的下半场