科技日报记者 张梦然
2025年是量子力学降生一百周年。量子力学描写的是甚么？是于单个粒子标准上才“闪现”的物理特征。于量子物理学中，这些征象比光学显微镜所能不雅测到的还有要小患上多，它们被称为“微不雅”征象。
这与由年夜量粒子组成的“宏不雅”征象形成对于比。例如，一个一样平常糊口中常见的球，由份子构成来描写的话就是天文数字级另外，它不会体现出任何量子力学效应。人们都知道，每一次把球扔向墙壁，它城市反弹回来。然而，一个零丁的粒子于其微不雅世界中，有时却能直接穿过近似墙的障碍，呈现于“墙”的另外一侧。这类量子力学征象被称为“隧穿”。
本年的诺贝尔物理学奖，表扬了那些于宏不雅标准上、触及年夜量粒子的环境下，乐成不雅测到量子隧穿征象的试验。1984年及1985年，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特及约翰·M·马丁尼斯三位科学家于美国加州年夜学伯克利分校举行的一系列试验，构建了一个包罗两个超导体的电路。超导体是可以或许以零电阻传导电流的质料，这两个超导体之间由一层彻底不导电的绵力料离隔。但于试验中，他们证实了可以节制并研究一种征象：超导体中的所有带电粒子协同运动，体现患上就像一个单一的粒子，布满整个电路。
这类类粒子体系被束厄局促于一个有电流流动但没有电压的状况中。于试验中，该体系经由过程量子隧穿效应揭示出了量子特征：从零电压状况中逃逸出来，并孕育发生一个电势差（电压）。
与此同时，本年的三位获奖者还有证实了这一体系的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量接收或者开释能量。
甚么是隧穿与超过？
为了开展研究，三位获奖者借助了数十年来成长起来的理论观点及试验东西。
咱们知道，量子物理与相对于论配合组成了所谓“现代物理学”的基础。已往一个世纪以来，无数科研职员一直于摸索其深远寄义。
单个粒子发生隧穿的征象，实在早已经为人所知。1928年，物理学家乔治·伽莫夫意想到，恰是隧穿效应致使某些重原子核以特定方式发生衰变。原子核内部各类力的彼此作用于其周围形成为了一道势垒，将内部粒子束厄局促此中。然而，只管存于这道势垒，原子核的一小部门仍有时能破裂出来，穿过势垒逃逸出去，从而使本来的原子核改变为另外一种元素。假如没有隧穿效应，这种核衰变就不成能发生。
隧穿是一种量子力学历程，此中包罗着随机性。某些类型的原子核具备又高又宽的势垒，是以其粒子需要很永劫间才能呈现于势垒以外；而另外一些类型的原子核则更易发生衰变。假如人们只不雅察单个原子，那没法猜测隧穿什么时候会发生；但经由过程不雅测年夜量同种原子核的衰变举动，可以丈量出隧穿发生的平均时间。描写这一征象最多见的要领是“半衰期”观点，即样品中一半原子核发生衰变所需的时间。
物理学家很快最先思索：是否有可能研究一种触及多个粒子同时介入的隧穿征象？摸索新型试验的一个标的目的，源自某些质料于极低温下呈现的非凡征象。
于平凡导电质料中，电流的孕育发生是因为存于可于整个质料中自由挪动的电子。于某些质料中，穿过导体的自力电子会变患上有序，形成一种协调一致的“跳舞”，毫无阻力地流动。此时质料就酿成了超导体，而电子则两两联合成对于。这类电子对于被称为“库珀对于”，以莱昂·库珀定名。他与约翰·巴丁及罗伯特·施里弗配合具体描写了超导体的事情机制（三人是以得到1972年诺贝尔物理学奖）。
库珀对于的举动与平凡电子彻底差别。电子具备很强的“个别性”，偏向在相互连结间隔——两个具备不异性子的电子不成能处在统一状况。这一点于原子中可以较着看到，例如电子漫衍于差别的能级（即电子壳层）上。然而，当超导体中的电子结成对于后，它们的部门个别性就消散了；虽然两个自力的电子老是可区别的，但两个库珀对于却可以彻底不异。这象征着超导体中的所有库珀对于可以被描写为一个总体，一个同一的量子力学体系。用量子力学的语言来讲，它们具备一个配合的波函数。这个波函数描写了于给定状况下不雅测到该体系的几率和其具备的特定性子。
科学家们的起步
这些课题刚好契合约翰·克拉克的研究。他其时是美国加州年夜学伯克利分校的传授，此前在1968年于英国剑桥年夜学得到博士学位后移居美国。于伯克利，他组建了本身的研究团队，专注在使用超导体及约瑟夫森结来摸索多种物理征象。
到20世纪80年月中期，米歇尔·H·德沃雷特于巴黎得到博士学位后，作为博士后插手了约翰·克拉克的研究团队。该团队还有包括博士生约翰·M·马丁尼斯。他们三人配合负担起证实“宏不雅量子隧穿”的挑战。试验装配必需极为邃密，并采纳年夜量办法屏蔽外界滋扰。他们乐成地优化并切确丈量了电路的所有特征，从而可以或许深切理解该体系的运行机制。
为了丈量量子征象，他们向约瑟夫森结注入一个微弱的电流，并丈量电压（电压与电路中的电阻相干）。最初，约瑟夫森结两头的电压为零，这切合预期，由于体系的波函数被限定于一个不会孕育发生电压的状况中。接着，他们研究了体系从该状况隧穿出去所需的时间，一旦发生隧穿，就会呈现电压。因为量子力学素质上具备随机性，他们举行了年夜量反复丈量，并将成果绘制成图，从中读取零电压状况的连续时间。这类要领近似在经由过程年夜量衰变事务的统计来丈量原子核的半衰期。
三位科学家构建了一个利用超导电路的试验装配。承载该电路的芯片尺寸约为一厘米。此前，隧穿效应及能量量子化重要于仅含少数粒子的体系中被研究；而于此试验中，这些量子征象呈现于一个包罗数十亿个库珀对于的宏不雅量子体系中，这些库珀对于遍布整个芯片上的超导体。是以，这项试验将量子效应从微不雅标准推进到了宏不雅标准。
这类隧穿征象注解，试验中那些协调运动的库珀对于，体现患上就像一个巨年夜的单一粒子。当科学家们进一步不雅察到体系具备分立的、量子化的能级时，这一结论获得了进一步证明。
量子力学之以是患上名，恰是源在人们发明微不雅历程中的能量，因此离散的“包”（即“量子”）情势存于的。本年的三位获奖者向零电压状况引入了差别波长的微波，发明此中某些频率的微波被体系接收，致使体系跃迁到更高的能级。这注解：当体系能量更高时，零电压状况的连续时间更短——这恰是量子力学所猜测的成果。
理论与实践意义
这项试验对于理解量子力学具备深远影响。以往于宏不雅标准上展示的量子效应，凡是是由年夜量微小单位各自自力的量子性子叠加而成。这些微不雅组分配合致使宏不雅征象，例如激光、超导体及超流体。然而，这一试验却差别：它从一个自己就具备宏不雅性的状况，即年夜量粒子同享的同一波函数孕育发生了一个宏不雅效应——可丈量的电压。
理论物理学家安东尼·莱格特曾经将获奖者的宏不雅量子体系，与闻名的“薛定谔的猫”思惟试验比拟较。于该思惟试验中，假如不去不雅察，猫就同时处在“在世”及“灭亡”的叠加态（薛定谔是以得到1933年诺贝尔物理学奖）。这个思惟试验的初志是展现这类状况的荒谬性，由于于宏不雅标准上，量子力学的非凡性子凡是会被抹去。人们没法于试验室中真正展示一只猫的量子叠加态。
然而，莱格特认为，本年三位获奖者所举行的一系列试验注解，确凿存于一些征象，此中年夜量粒子配合体现出量子力学所猜测的举动。只管由浩繁库珀对于组成的这个宏不雅体系于尺寸上仍比一只小猫小好几个数目级，但因为试验丈量的是整个体系的总体量子特征，是以于量子物理学家看来，它与薛定谔那只设想中的猫于素质上是相称近似的。
这种宏不雅量子态，为人们使用微不雅粒子世界纪律举行新试验提供了新的可能。它可以被视为一种“年夜型人工原子”——一个带有电缆及接口的人工原子，可以毗连到新的测试装配中，或者用在开发新型量子技能。例如，这种人工原子可用在模仿其他量子体系，帮忙人们理解它们的性子。
另外一个实用例子，则是马丁尼斯厥后举行的量子计较机试验，该试验恰是使用了他与别的两位获奖者所研究的能量量子化特征——他利用具备量子化能级的电路作为信息载体，即量子比特（qubit）。最低能级及第一个引发态别离代表“0”及“1”，这恰是构建将来量子计较机的技能路径之一。
可以说，本年的获奖者不仅深化了人们对于物理世界的理解，也为成长新一代量子技能（包括量子加密、量子计较及量子传感等范畴）斥地了新路径。
诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松暗示：“量子力学于百年成长过程中连续带来新冲破，值患上配合祝贺。而这项研究更具庞大运用价值，由于量子力学是所有数字技能的基石。”
（图片来历：瑞典皇家科学院）
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