10 月 7 日消息,瑞典皇家科学院决定将 2025 年物理学诺贝尔奖授予三人,,以表彰他们“在电路中发现了宏观量子力学隧穿与能量量子化现象”:
约翰・克拉克(John Clarke),美国加州大学伯克利分校;
米歇尔・H・德沃雷(Michel H. Devoret),美国耶鲁大学及加州大学圣塔芭芭拉分校;
约翰・M・马蒂尼斯(John M. Martinis),美国加州大学圣塔芭芭拉分校。
简单来说,他们通过一系列实验证明,量子世界的奇异特性可以在一个大到可以握在手中的系统中具体化。
2025 年物理学诺贝尔奖奖金为 1100 万瑞典克朗(注:现汇率约合 832.35 万元人民币),由获奖者平分。
诺贝尔委员会指出,这三位获奖者的实验在一块芯片上展现了量子物理的实际效应,回答了物理学中的一个重要问题:量子力学效应能否在宏观系统中被观测到?
他们通过实验验证,即使是由大量粒子组成、可用手掌握持的电路系统,也能呈现出量子隧穿和能量量子化等量子行为。
量子隧穿是指粒子能够“穿过”原本无法跨越的势垒。然而,通常当系统包含大量粒子时,这种量子效应会迅速消失。三位科学家的研究证明,量子特性可以在宏观尺度上被精确呈现。
超导电路中的宏观量子实验
1984 年至 1985 年间,克拉克、德沃雷和马蒂尼斯三人使用超导材料构建了一种特殊电子电路。电路中,两个超导元件之间由一层极薄的绝缘材料隔开,形成所谓“约瑟夫森结”(Josephson junction)。这种结构可在无电阻的情况下导电。
研究人员通过精确控制电路参数,观察到当电流通过时,电荷在整个超导系统中表现得如同一个填满电路的单一“宏观粒子”。
起初,该系统处于“零电压”状态,电流流动但没有电压,似乎被困在无法跨越的能量势垒后。实验显示,该系统可通过量子隧穿“跃出”这一状态,产生可测量的电压信号,从而体现出其量子特性。
研究团队还进一步证实,这个系统的能量是量子化的 —— 即它只能吸收或释放特定量的能量,完全符合量子力学的理论预测。
百年量子理论的再度突破
诺贝尔物理学委员会主席奥勒・埃里克森(Olle Eriksson)表示:“能够庆祝百年量子力学持续带来新惊喜,令人振奋。量子力学不仅深具科学意义,也是所有数字技术的基础。”
他指出,晶体管等现代计算机微芯片中的元件,本身就是基于量子原理的成熟技术。此次获奖成果为下一代量子技术 —— 包括量子加密、量子计算与量子传感 —— 奠定了重要的实验基础。
获奖者简介:
约翰・克拉克(John Clarke),1942 年生于英国剑桥,1968 年获英国剑桥大学博士学位,现任美国加州大学伯克利分校教授。
米歇尔・H・德沃雷(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,现任美国耶鲁大学及加州大学圣塔芭芭拉分校教授。
约翰・M・马蒂尼斯(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,现任加州大学圣塔芭芭拉分校教授。