在量子力学诞生百年之际，2025年10月7日，三位科学家因研究量子隧穿现象（一种亚原子粒子的奇异行为），荣获诺贝尔物理学奖。这项研究使磁共振成像仪能够实现超高灵敏度测量，并为制造更优质的手机和更快的计算机奠定了基础。

这项研究由约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯共同完成，他们将亚原子世界中看似矛盾的现象——光既可作波又可作粒子，而部分原子粒子能穿透看似不可逾越的屏障——并将其应用于更为传统的数字设备物理学。他们的研究成果刚刚开始应用于先进技术领域，有望为超强计算力的发展铺平道路。

美国物理学会首席执行官乔纳森·巴格指出，这项在20世纪80年代中期获奖的研究，将亚原子层面的“量子力学怪异现象”转化为现实应用，揭示了这些微观相互作用如何在现实世界中发挥作用。这些实验成果成为快速发展的量子力学领域中至关重要的基石。

克拉克作为研究团队的领军人物，通过手机表示：“手机之所以能正常工作，其根本原因之一正是基于这些研究成果?！?/span>

1926年量子力学初现端倪时，一位著名物理学家曾用“匣子里的猫”来阐释其诸多悖论，这只猫同时处于活着和死亡的状态。《今日物理》主编理查德·菲茨杰拉德指出，三位诺贝尔奖得主证明了科学能够将此类原理付诸实践，他本人在20世纪90年代曾参与过竞争性研究团队。

菲茨杰拉德表示：“他们虽未将理论推演至极致，但已证明其可行性?！?/span>

获奖物理学家们将“我们无法看见、无法触摸、无法感知的事物尺度”提升至“可识别的尺度”，并使其成为“可供进一步研究的基础”，菲茨杰拉德如是说。

现年83岁的克拉克在加州大学伯克利分?？寡芯俊?7岁的马丁尼斯曾任职于加州大学圣塔芭芭拉分校。72岁的德沃雷特现任职于耶鲁大学，同时也在加州大学圣塔芭芭拉分校工作。

这项工作为何重要

马丁尼斯曾是谷歌的一名高级科学家，致力于量子计算研究，后来与他人共同创办了自己的公司 Qolab。他表示，未来的主要目标是量子计算。通过利用亚原子世界中矛盾状态的力量，量子计算将在速度和复杂性方面实现巨大飞跃。

距离实现还有八到十年时间。但他表示，团队的实验表明“计算机的性能可以强大得多”。

德沃雷特现任谷歌量子计算项目的首席科学家。

天体物理学教授、诺贝尔物理学奖委员会成员马克·皮尔斯表示，量子计算机是“一个非常显而易见的应用方向”，但这项研究还能助力开发探测微弱现象（如磁?。┑?a class="link-system" href="/product/6915908303527174144.html" title="传感器" target="_blank">传感器，并推动加密技术在信息编码领域的进步。

马丁尼斯表示，通过更深入地理解精密化学，人们能够开发出更优质的日常生活材料，甚至为人工智能发展注入新的动力。

在伯克利开展这项研究之前，科学家已知单个电子或成对的微小电子能够穿透不可逾越的屏障?？死顺破渫哦臃⑾值氖牵骸叭绻缏飞杓频玫?，实际上可以实现比几个电子更大、更有用的物体的隧道效应?！?/span>

克拉克在新闻发布会上指出，这项发现“能用于制造原本无法实现的精密设备”，并举例提及自己的iPhone和量子计算机。

他同时批评特朗普政府大幅削减科研经费的行为，称此举将“重创科学事业”。

“若这种趋势持续下去……可能需要十年才能恢复到半年前的科研水平?！笨死司镜?。

5

马丁尼斯、巴格和菲茨杰拉德指出，现在说手机采用了克拉克及其团队的突破性成果有些牵强。但巴格强调，包括核磁共振成像仪在内的超高灵敏度测量设备都依赖该团队的研究成果——若没有他们的技术突破，这些设备将大打折扣。

“量子力学渗透在我们生活的方方面面——从手机本身，到连接手机的卫星通信系统，再到手机屏幕上播放视频的显示技术，”巴格如是说。

“能够庆祝百年量子力学持续带来新惊喜，实属美妙。它还具有巨大实用价值，因为量子力学是所有数字技术的基石，”诺贝尔物理学奖委员会主席奥勒·埃里克森表示。

计算机微芯片中的晶体管便是环绕我们身边的成熟量子技术实例。今年的诺贝尔物理学奖为下一代量子技术的发展提供了契机，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器等领域。

人类尺度上的量子特性

2025年诺贝尔物理学奖得主约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯通过一系列实验证明，量子世界的奇异特性可在手掌大小的系统中具体呈现。他们的超导电路系统能实现状态间的隧道效应，如同穿墙而过。实验还证实该系统以量子力学预言的特定能量子束吸收与释放能量。

一系列开创性的实验

量子力学描述的是涉及单个粒子的尺度上具有重要意义的特性。在量子物理学中，这些现象被称为微观现象，即使它们比光学显微镜所能观察到的要小得多。这与由大量粒子组成的宏观现象形成鲜明对比。例如，一个普通的球体由天文数量级的分子构成，却不表现出任何量子力学效应。我们知道每次将球抛向墙壁时它都会反弹回来。然而在微观世界中，单个粒子有时会直接穿过等效屏障，出现在另一侧。这种量子力学现象被称为隧道效应。

今年的诺贝尔物理学奖表彰了通过实验证明量子隧穿效应如何在宏观尺度上被观测到的成果，该实验涉及大量粒子。1984年至1985年间，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯在加州大学伯克利分?？沽艘幌盗惺笛?。他们构建了一个由两块超导体组成的电路——这些元件能够无电阻地传导电流。他们用一层完全不导电的薄材料将两者隔开。实验表明，他们能够控制并研究超导体中所有带电粒子同步行为的现象——这些粒子仿佛化作单一粒子充盈整个电路。

这种粒子状系统被困在一种无需电压即可导电的状态中——其能量不足以逃离该状态。实验中，该系统通过隧道效应逃离零电压状态并产生电势，由此展现其量子特性?；窠闭呙腔怪っ鞲孟低尘哂辛孔踊匦?，即只能以特定数值吸收或释放能量。

隧道效应与穿透现象

为解决这一难题，获奖者们运用了历经数十年发展形成的理论框架与实验工具。量子物理学与相对论共同构成了现代物理学的基石，过去一个世纪里，科研人员持续探索其深层内涵。

粒子具备穿透能力已是公认事实。1928年，物理学家乔治·伽莫夫意识到：某些重原子核倾向于特定衰变模式的原因正是隧道效应。原子核内力的相互作用形成屏障，将内部粒子束缚其中。然而即便如此，原子核的微小碎片仍可能分裂脱离，穿越屏障逃逸——留下已转化为另一种元素的核。若无隧道效应，此类核衰变便无法发生。

隧道效应属于量子力学过程，意味着随机性在此发挥作用。某些原子核具有高而宽的势垒，其碎片突破所需时间较长；而另一些类型则更易发生衰变。若仅观察单个原子，我们无法预测衰变发生的时间点，但通过监测大量同类原子核的衰变过程，可测得隧道效应发生的预期时间。最常用的描述方式是半衰期概念——即样本中半数原子核完成衰变所需的时间。

物理学家很快开始思考：是否有可能研究涉及多个粒子同时参与的隧道效应？新型实验方法的灵感源于某些材料在极低温下出现的特殊现象。

在普通导电材料中，电流流动是因为存在能够自由穿行整个材料的电子。而在某些材料中，穿行于导体中的电子可能自发组织成同步舞步，形成零电阻的电流。此时材料已转变为超导体，电子以成对形式结合——这种库珀对得名于莱昂·库珀。他与约翰·巴丁、罗伯特·施里弗共同阐明了超导机制（1972年诺贝尔物理学奖得主）。

库珀对的行为与普通电子截然不同。电子具有很强的独立性，倾向于彼此保持距离——若两个电子具有相同属性，它们就无法占据同一位置。例如在原子中，我们就能观察到这种现象：电子会分层分布于不同的能级，即所谓的电子层。然而当超导体中的电子结成对时，它们会丧失部分独立性：两个单独电子始终具有差异性，而两个库珀对却可能完全相同。这意味着超导体中的库珀对可被视为单一单元——一个量子力学系统。用量子力学术语描述，它们构成单一波函数。该波函数描述了在特定状态和特定属性下观测到该系统的概率。

若将两块超导体通过薄绝缘层连接，便形成约瑟夫森结。该元件以布莱恩·约瑟夫森命名，他通过量子力学计算揭示了当考虑结两侧波函数时会产生奇异现象（1973年诺贝尔物理学奖得主）。约瑟夫森结迅速获得应用，包括用于精确测量基本物理常数和磁场。

这项构造还提供了以全新方式探索量子物理学基本原理的工具。安东尼·莱格特（2003年诺贝尔物理学奖得主）便是其中一位实践者，他在约瑟夫森结宏观量子隧穿现象方面的理论研究，激发了新型实验的诞生。

研究团队的组建

这些课题与约翰·克拉克的研究兴趣完美契合。他1968年在英国剑桥大学完成博士学位后，赴美国加州大学伯克利分校任教。在伯克利，他组建了研究团队，专注于利用超导体和约瑟夫森结探索各类物理现象。

1980年代中期，米歇尔·H·德沃雷特在巴黎取得博士学位后，以博士后身份加入约翰·克拉克的研究团队。该团队还包括博士生约翰·M·马丁尼斯。他们共同承担起验证宏观量子隧穿现象的挑战。为屏蔽所有可能干扰实验装置的因素，研究团队投入了极大的谨慎与精密操作。他们成功优化并测量了电路的所有特性，从而对其工作原理有了深入理解。

为测量量子现象，研究人员向约瑟夫森结注入微弱电流并测量电压——该电压与电路电阻相关。如预期所示，约瑟夫森结两端的电压初始值为零。这是因为系统波函数处于封闭状态，无法产生电压。随后他们研究系统从该状态隧道逸出并产生电压所需的时间。由于量子力学具有随机性，他们进行了大量测量并将结果绘制成图表，由此可读取零电压状态的持续时间。这类似于原子核半衰期测量基于大量衰变实例的统计方法。

该隧道效应揭示了实验装置中的库珀对如何通过同步振荡表现出巨型单一粒子的特性。当研究人员观察到系统呈现量子化能级时，这一现象得到了进一步验证。量子力学得名于对微观过程能量以独立量子包络形式存在的观测?；窠闭呦蛄愕缪固氩煌ǔさ奈⒉ā２糠治⒉ū晃蘸?，系统跃迁至更高能级。实验表明当系统能量增加时零电压态持续时间缩短——这完全符合量子力学的预测。被困在势垒后的微观粒子同样遵循此规律。

实践与理论价值

该实验对理解量子力学具有深远意义。其他在宏观尺度上展现的量子力学效应，均由众多微小个体及其独立的量子特性构成。这些微观组分相互结合，最终形成激光、超导体和超流体等宏观现象。然而本实验却从宏观状态本身——即大量粒子共享的波函数——直接产生了宏观效应：可测量的电压。

安东尼·莱格特等理论学家将获奖者的宏观量子系统比作埃尔温·薛定谔著名的“薛定谔的猫”思想实验：当我们不观察箱内时，猫处于生与死的叠加态。（埃尔温·薛定谔曾获1933年诺贝尔物理学奖。）该思想实验旨在揭示这种情境的荒谬性，因为量子力学的特殊属性在宏观尺度上往往消失殆尽。整只猫的量子特性无法在实验室实验中得到验证。

然而，莱格特指出，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯开展的一系列实验表明，存在涉及大量粒子的现象，这些粒子共同表现出的行为完全符合量子力学的预测。由众多库珀对组成的宏观系统，其尺寸仍比一只小猫小几个数量级——但由于实验测量的是适用于整个系统的量子力学特性，对量子物理学家而言，这与薛定谔的想象中的猫相当相似。

这种宏观量子态为利用微观粒子世界现象开展实验开辟了新可能。它可视为大型人工原子——这种带有电缆和插座的原子能连接至新型实验装置，或应用于新兴量子技术。例如人工原子可用于模拟其他量子系统，从而促进对其理解。

另一个例子是马丁尼斯随后进行的量子计算机实验，他恰恰运用了自己与另外两位获奖者共同验证的能量量子化原理。他采用的电路以量子化状态作为信息载体单元——即量子比特。最低能态与首个跃迁能级分别对应二进制中的0和1。超导电路正是当前探索未来量子计算机构建技术的重要方向之一。

由此可见，本年度的获奖者们既为物理实验室的实际应用做出了贡献，也为我们理解物理世界提供了新的理论依据。