2025年诺贝尔物理学奖揭晓 三名科学家获奖，因在量子力学领域贡献显著
作者：陶臻
诺贝尔物理学奖2025年授予三位美国物理学家：John Clarke（加州大学）、Michel H.Devoret（耶鲁大学&加州大学）和 John M.Martinis（加州大学）。
2025年诺贝尔物理学奖表彰约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马丁尼斯，他们“在电路中发现了宏观量子隧穿效应和能量量子化”。这三位物理学家通过他们的芯片实验揭示了量子物理的运行机制，首次在宏观尺度的人造电路中，清晰地观测到了原本只在微观世界（如原子、电子）中才显著的量子力学现象。他们的工作为超导量子计算领域的诞生和发展奠定了最关键的实验基础。
他们获奖的理由是：“for the discovery of macroscopic quantum mechanical tunnelling and energy quantization in an electric circuit.”“因在电路中发现宏观量子隧穿效应与能量量子化现象。
具体来说，量子力学允许粒子通过一种被称为隧穿的过程直接穿过屏障。一旦涉及大量粒子，量子力学效应通常变得微不足道。获奖者的实验证明，量子力学性质可以在宏观尺度上得到具体体现，且该系统按照量子力学预测的方式运行，只吸收或发射特定数量的能量。
这三位都是实验物理和量子信息科学领域的泰斗。他们的研究具有很强的传承和协作关系。克拉克是宏观量子效应实验的先驱，德沃雷在理论理解和实验设计上做出了核心贡献，而马丁尼斯则进一步推动了这些技术走向大规模化和实用化，并曾在谷歌领导实现了“量子优越性”的团队。
所谓能量量子化：在经典物理学中，一个电路（如一个LC振路）的能量可以是任意连续的值。但在量子力学中，像原子这样微观系统，其能量只能处于一系列离散的、分立的能级上。获奖者们通过精妙的实验，在一个宏观尺寸（肉眼可见）的超导电路中，首次直接观测到了这种不连续的能级。这意味着电路的能量状态是“一份一份”的，就像梯子上的台阶，而不是平滑的斜坡。
宏观量子隧穿是指在纳米材料中，像磁化强度或磁通量这样的宏观物理量表现出量子隧穿效应的现象。这是一种量子力学中的基本现象，它允许微观粒子在总能量低于势垒高度时穿过势垒，而在纳米材料中，这种效应可以观察到宏观尺度的量子行为。所谓宏观量量子隧穿：“隧穿”是量子力学中一个反直觉的现象，一个粒子能够越过它本无法逾越的能量壁垒，就像穿墙术。获奖们在他们的宏观电路中观测到了整个电路的“状态”（由数十亿电子协同
运动形成的一个宏观量子态）发生了这种隧穿效应。
也可以说，宏观量子隧穿是指在纳米材料中，像磁化强度或磁通量这样的宏观物理量表现出量子隧穿效应的现象。这是一种量子力学中的基本现象，它允许微观粒子在总能量低于势垒高度时穿过势垒，而在纳米材料中，这种效应可以观察到宏观尺度的量子行为。
在传统认知中，量子力学属于微观世界——它支配的是电子、原子、光子等极小粒子的行为。宏观世界（比如电路、电流、磁场）遵守的是经典物理定律。然而，这三位科学家的工作模糊了“量子”与“经典”的界限。他们发现：即便是由数十亿个电子组成的超导电路，也能整体表现出量子力学行为—-会出现“能级量子化”和“宏观量子隧穿”这两种纯量子现象。
他们最大的发现就是宏观量子隧穿和能量量子化两大关键。
宏观量子隧穿（Macroscopic Quantum Tunnelling）
在量子物理中，电子有时可以“穿过”本应无法跨越的势垒——这叫“隧穿效应”。
但他们发现，在超导电流中，整个电流态（由无数电子组成）也能“集体”隧穿过能量势垒——这意味着一个宏观系统可以像一个量子粒子那样“跃迁”！这打破了人类以往的想象：量子不再只是微观的，而是可以在工程尺度被观察、操控的。
能量量子化（Energy Quanti在ation in Circuits）
在他们设计的超导电路中，电流和电压的振荡能量不是连续变化的，而是只能取离散值——就像氢原子的能级那样。
也就是说，一个电路的能量，居然也是“量子化”的！这直接揭示了：电路本身可以作为“人工原子”来操控。而这正是量子比特比特（qubit）”的物理基础，现代超导量子计算机的核心逻辑。
“量子理论”的发展是为了在“量子工程”上的到应用。过去百年，量子力学主要解释自然现象；但自这项研究以来，人类开始用量子规律制造新器件、开创新计算方式。
宏观量子隧穿打破了宏观与微观的界限：这是最根本的哲学和科意义。他们的实验雄辩地证明，量子力学规律并不仅仅统治着原子和分子的世界，在特定条件下（如极低温度、超导状态），宏观物体同样会表现出奇异的量子行为。当然，就物体而言，当外界条件改变，这种物质的物理，包括化学性质也会随之变化。
这三位获奖者的发现还催生了超导量子比特：他们的发现直接导超导量子比特的发明。量子比特是量子计算机的基本当然，单元。通过精确控制和读取电路中能量的量子化状态，人们就创造出了个可用于计算的量子比特。
在1984年和1985年，John Clarke、Michel H.Devoret和John M.Martini使用由超导体（一种可以在没有电阻的情况下传导电流的元件）构建的电子电路进行了一系列实验。这三位获奖者的发现，奠定了量子计算的技术基础：今天，IBM特尔等公司正在研发的量子计算机，其核心芯片正是基于这三位获奖者所开创的技术路线。他们发展的实验方法、器件设计和测量技术，构成了现代超导量子计算平台的基石。
因此，2025年诺贝尔奖的颁发，不仅是对一项实验发现的肯定，更是对量子计算这一新纪元的礼赞。
面对这项成果让人不得不重新思考一个古老问题：
“量子世界与宏观世界之间，真的有界线吗？”
答案似乎是否定的。当人类能在工程实验室中制造出“宏观量子态”时，量子力学不再只是哲学思辨，而成为可设计、可编程、可运算的现实结构。
换言之，他们让薛定谔的猫不再只是思想实验，而是一台可以操控的机器。这是哲学与思想层面的突破
因此，他们让量子从理论走向现实，让微观规律在宏观世界闪光。
从普朗克提出能量量子化（1900），到他们在电路中发现能量量子化（2025），整整125年。这是人类理解宇宙的一次伟大闭环，也是量子物理从哲学走向应用的历史时刻。
“能够见证拥有百年历史的量子力学不断带来新的惊喜，真是太棒了。它也极为有用，因为量子力学是所有数字技术的基础。”诺贝尔物理学委员会主席Olle Eriksson这样说道。
John clarke，1942年生于英国剑桥。1968年获英国剑桥大学博士学位。现为美国加州大学伯克利分校教授。
Michel H.Devoret，1953年生于法国巴黎。1982年获法国巴黎南大学博士学位。现为美国纽黑文耶鲁大学及加州大学圣塔芭芭拉分校教授。
John M.Martinis，1958年出生。1987年获美国加州大学伯克利分校博士学位。现为美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授。
三名获奖者将平分1100万瑞典克朗（约合117万美元）的奖金。
然而，在这些彪炳史册的科学成就背后，三位桂冠得主各自拥有着丰富多彩的人生和鲜为人知的趣闻轶事。他们的故事值得有志攀登科学高峰的年轻学者借鉴。
约翰·克拉克：追求极致的精密工匠
年届八旬的克拉克是三人中的前辈。是在剑桥土生土长的实验物理学家。他一丝不苟的行事风格与对“创造”的终生热爱，也同样堪称传奇。
克拉克与生俱来的动手能力在童年时便展露无遗。他从小就对机械玩意儿极度着迷，每年圣诞节父母都会送他金属拼装玩具（Meccano sets）的升级套件，这些零件会在他手中变幻出成百上千种机器。
高中时代，他利用从剑桥大学退役的EDSAC-1计算机上“淘”来的真空管，亲手打造了一台可以运转的模拟计算机。据说，他当年亲自跑到大学实验室，恳求研究人员匀给他一些旧零件，一位乐于提携后辈的科学家便给了他一个装有48个真空管的机箱。做出来的模拟计算机，后来被他带到学校用来解微分方程。
科学远非克拉克年轻时唯一的闪光点。他曾是一位出色的运动员，担任过三年高中田径队队长。作为一名短跑兼跨栏好手，他在100码和440码项目上都创造过个人最佳纪录，还曾涉足三级跳远。体育竞技锤炼出的纪律与好胜心，完美地补充了他的学术追求。
同事们常开玩笑说，约翰·克拉克的实验室一尘不染，干净得“可以直接在地上用餐”。这种对精确近乎冥想般的追求，正是他科研风格的缩影。学生们私下给他起外号：“超导界的禅师”。
米歇尔·德沃雷：融汇想象与现实的探索者
72岁的德沃雷，为这个科学三人组注入了独特的欧洲气质。这位在耶鲁大学任教的法裔美籍物理学家，以其将大胆理论与量子器件巧妙结合的独特风格而著称。
上世纪80年代初，刚在法国取得博士学位的他，便远赴美国加州，以博士后研究员的身份加入了克拉克的伯克利实验室。在那里，他那“充满欧洲风情的理论胆识”与克拉克“基于经验的严谨”发生了奇妙的化学反应。德沃雷是那个永远在问“如果我们试试这个会怎样？正是这种探索精神，激励着团队在一次次失败后仍能勇往直前。
完成了2年的博士后研究后，德沃雷回到法国继续学术生涯。又过了二十年，耶鲁大学的量子实验室成立。德沃雷除了（曾经）在耶鲁大学和加州大学圣芭芭拉分校有教职之外，也是谷歌Quantum AI实验室的首席科学家。他很喜欢美国生活的“异国情调”。
约翰·马丁尼斯：知行合一的梦想家
67岁的马丁尼斯是三人组中的“加州实用派”。最与众不同的特质，是他那永不疲倦、凡事亲力亲为的风格。因此，他常被誉为是“物理学家中的工程师”。
马丁尼斯表示自己是一个“明确的乐观主义者”。他在研究时总是会高度专注于某一个目标，他引用书籍《从0到1》（Zero to One）中的一句话来表达自己：“一个明确的乐观主义者会决定一件最好的事情，然后去做。”
当别人还在为理论问题争论不休时，马丁尼斯可能正为了搞定一块新芯片的布线而彻夜不眠。他坚持亲手调整线缆、焊接元件，从不假手于技术人员。这种“工匠精神”伴随了他整个职业生涯。一位同事曾说，比起在会议室里高谈阔论，你更有可能在稀释制冷机(Dilution refrigerator)旁看到他正在拧紧一颗螺丝，他认为有关理论问题的争论，只能靠实验来回答。
马丁尼斯最为人所知的身份可能是“谷歌科学家”。2014年，科技巨头谷歌斥资数百万美元，将马丁尼斯及其在加州大学圣芭芭拉分校的整个实验室招致麾下，组建量子硬件团队。学界与业界的这次罕见联姻最终硕果累累。
2019年10月，马丁尼斯团队宣布，他们在一台名为“悬铃木”的53量子比特(Qubit)处理器上，成功实现了“量子优越性”(Quantum supremacy)。这一成就迅速登上全球媒体头条，被誉为量子技术领域的“莱特兄弟时刻”。
这三位科学家的组合，仿佛一支配合默契的实验室乐队：一位追求极致的精确，一位充满创造的巧思，一位勇于实践的笃行。
可曾想到，40多年后，在加州大学伯克利分校那间小小的实验室里，他们用超导材料搭建起了一种能够实现量子“隧穿”的电路。这在人类历史上第一次雄辩地证明：神秘的量子力学法则，并非只存在于微观的原子世界，它同样可以在我们触手可及的宏观电路中上演。这条开创性的道路，最终通向了今天的量子计算机，也通向了斯德哥尔摩的诺贝尔奖殿堂。
他们在科学道路上的脚步和奇迹，为年轻学子的前行，开辟了道路。
（信息来自网络）