新華社斯德哥爾摩10月7日電　科普｜讓量子現(xiàn)象“肉眼可見”——2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果解讀

新華社記者郭爽　張兆卿　朱昊晨

量子力學(xué)誕生百年之際，瑞典皇家科學(xué)院7日將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯三名量子物理學(xué)家。正是他們?cè)谇叭税倌晏剿骰A(chǔ)上的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，讓我們“看見”曾只存在于微觀領(lǐng)域的量子現(xiàn)象，也為新一代量子技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

系列開創(chuàng)實(shí)驗(yàn)

量子力學(xué)以“怪誕”和“反直覺”的現(xiàn)象而聞名。比如，在日常生活中，當(dāng)我們把球扔向墻壁時(shí)，每次都會(huì)反彈回來(lái)。然而在微觀世界，單個(gè)粒子卻會(huì)“穿墻而過(guò)”，這種量子力學(xué)現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。

上世紀(jì)80年代，三名獲獎(jiǎng)科學(xué)家在加利福尼亞大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了一系列開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。他們構(gòu)建了一個(gè)包括兩個(gè)超導(dǎo)體的電路，并用一層完全不導(dǎo)電的薄材料將這些超導(dǎo)體分開。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他們展示了一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中所有帶電粒子都可以表現(xiàn)出“整齊劃一”的行為，就好像它們是充滿整個(gè)電路的單個(gè)粒子一樣。

這個(gè)系統(tǒng)起初被“困在”一個(gè)沒(méi)有電壓、但有電流在超導(dǎo)體中流動(dòng)的狀態(tài)中。在實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)展現(xiàn)出量子特性，通過(guò)隧穿效應(yīng)成功“逃離”零電壓狀態(tài)，并產(chǎn)生出一個(gè)可測(cè)量的宏觀效應(yīng)——可觀測(cè)的電壓。這意味著他們實(shí)現(xiàn)了宏觀量子隧穿。實(shí)驗(yàn)還表明，該系統(tǒng)是量子化的，即只能吸收或釋放特定能級(jí)的能量，與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)相符。

有物理學(xué)家用量子力學(xué)中著名的“薛定諤的貓”作類比，認(rèn)為本次諾獎(jiǎng)的成果把原本的思想實(shí)驗(yàn)變成了可放在手掌中看得見的電路，雖然這個(gè)電路系統(tǒng)和一只貓還有很大差別，但在物理學(xué)家眼中它們?cè)诒举|(zhì)上很相似。

基于百年探索

誕生于1925年的量子力學(xué)，在一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中成為現(xiàn)代物理學(xué)的重要基礎(chǔ)。本次諾獎(jiǎng)成果也基于百年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家孜孜不倦的探索。

1928年，物理學(xué)家喬治·伽莫夫通過(guò)對(duì)重原子核的α衰變進(jìn)行理論分析，首次提出，量子隧穿效應(yīng)能夠解釋該衰變過(guò)程，從而奠定了隧穿理論在核物理中的應(yīng)用基礎(chǔ)。隨后，物理學(xué)家很快開始研究多個(gè)粒子同時(shí)參與的隧穿現(xiàn)象，他們把目光投向了超導(dǎo)。

許多耀眼的名字出現(xiàn)在這條研究道路上。在超導(dǎo)材料中，電子可以形成“同步舞蹈”的“庫(kù)珀對(duì)”，這個(gè)名字來(lái)源于因在超導(dǎo)領(lǐng)域研究貢獻(xiàn)而獲1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的萊昂·庫(kù)珀。如果兩個(gè)超導(dǎo)體之間用一層薄的絕緣層相隔連接，就會(huì)形成“約瑟夫森結(jié)”，這個(gè)名字來(lái)源于因相關(guān)研究而獲1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的布賴恩·約瑟夫森。

今年獲獎(jiǎng)的三名量子物理學(xué)家正是在這些先行者的成果基礎(chǔ)上，通過(guò)“約瑟夫森結(jié)”實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)，當(dāng)超導(dǎo)體中的“庫(kù)珀對(duì)”集體呈現(xiàn)量子態(tài)時(shí)，整個(gè)電路能像單個(gè)粒子一樣實(shí)現(xiàn)隧穿躍遷，打破了量子效應(yīng)僅存在于微觀世界中的傳統(tǒng)認(rèn)知。

通向新的世界

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席奧勒·埃里克松當(dāng)天表示，百年來(lái)量子力學(xué)不斷帶來(lái)新的驚喜，它大有用處，為數(shù)字技術(shù)提供了基礎(chǔ)。比如計(jì)算機(jī)芯片中的微晶體管，就是我們身邊成熟的量子技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)例子。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)表示，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果為開發(fā)下一代量子技術(shù)提供了機(jī)遇，包括量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)成員埃娃·奧爾松當(dāng)天接受新華社記者采訪時(shí)說(shuō)，今年的獲獎(jiǎng)成就打開了“通向另一個(gè)世界”的大門，使人們能夠在更大尺度上研究量子力學(xué)世界。當(dāng)前多國(guó)都在開展量子力學(xué)相關(guān)研究，如量子計(jì)算機(jī)等，相信未來(lái)這一領(lǐng)域會(huì)帶給我們更多驚喜。

奧爾松強(qiáng)調(diào)，要推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，國(guó)際合作至關(guān)重要，很多重大成果正是通過(guò)國(guó)際合作實(shí)現(xiàn)。她表示，自己在研究中就與中國(guó)、歐洲、韓國(guó)、日本等多國(guó)同行合作，這些合作讓研究更具有深度和多樣性。

“科學(xué)屬于全人類，”她說(shuō)，在量子科學(xué)領(lǐng)域，“國(guó)際合作是尋找未來(lái)解決方案的關(guān)鍵，這也是諾貝爾遺囑的精神”。