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2025年诺贝尔物理学奖:电路中的宏观量子隧穿

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本文只记述诺贝尔奖公告和 1985 年实验论文里的物理结果。

2025年诺贝尔物理学奖:电路中的宏观量子隧穿
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2025 年 10 月 7 日,瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授给约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马蒂尼斯。授奖辞是:发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量子化。克拉克的单位是加州大学伯克利分校。德沃雷同时列在耶鲁大学、加州大学圣巴巴拉分校和 Google Quantum AI。马蒂尼斯列在加州大学圣巴巴拉分校和 Qolab。奖金三人平分。

问题本身很旧:量子力学能用到多大的物体上。原子和电子上的隧穿早已熟悉。粒子一多,和环境的耦合通常会把相干性冲掉,宏观物体就看起来完全经典。获奖者的电路大到可以拿在手里,却仍表现出隧穿和分立能级。

电路的核心是约瑟夫森结。两块超导体之间夹一层极薄的绝缘体。超导体内的库珀对用一个宏观相位来描述。结上若加接近临界值的偏置电流,零电压态对应相位粒子陷在势阱里。势垒另一边是有电压的奔跑态。经典热激活下,逃出势阱的速率随温度降低而迅速变小。1985 年发表在《物理评论快报》上的测量表明,温度足够低以后,逃逸率不再跟着温度走,其数值与宏观量子隧穿的零温预言一致。结的电容、电阻和临界电流是在仍然属于热激活的温区里测定的,量子温区的比较没有另设调节参数。

同一系列实验还用微波把这个宏观坐标激发到更高的能级,显示它吸收的能量是一份一份的。诺贝尔奖的科学背景说明把这两件事合在一起看:一个“手指捏得住”的超导电路,既有能量量子化,也能从亚稳态隧穿出去。背景材料还写到,约瑟夫森结因此可以看成人工原子,后来的超导量子比特沿这条路做成芯片上的可控能级。

有三件事是这项奖没有说的。它没有说意识参与了测量。逃逸与否由结的偏置、阻尼和温度决定,读出的是结上出现的电压。它没有说日常铜钱、骰子或神经元因此进入了宏观量子隧穿。那些物体与环境耦合极强,相位关系维持不住。它也没有给出“量子计算机已经可以随意扩展”的工程结论。它确立的是:在隔离和标定做得足够好时,一个宏观电路自由度服从量子力学。

新易文章若借用“势垒不一定把可能性减到零”这个图像,借用的是数学形式。占筮里的未定爻并没有一个测得的等离子体频率,也没有一条零电压态。两者可以并置在笔记里,不能共用同一个实验编号。

参考文献
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