關(guān)注2025諾獎(jiǎng)|“導(dǎo)師+博士后+博士生”同時(shí)獲得物理學(xué)獎(jiǎng)，他們的研究讓“量子世界”從理論走進(jìn)現(xiàn)實(shí)
來源： 紫牛新聞
2025-10-08 12:15:00
10月7日，瑞典皇家科學(xué)院公布了2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel Devoret）、約翰·馬蒂尼斯（John Martinis）用他們的研究，讓“量子世界”從理論走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。記者特邀南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院王華兵教授進(jìn)行了解讀。
這一觀測(cè)“連接”了宏觀世界與微觀世界
現(xiàn)實(shí)世界里的我們，如果對(duì)著一面墻扔出一個(gè)乒乓球，它肯定會(huì)彈回來。如果這一切發(fā)生在微觀世界，那么乒乓球有可能直接從墻壁里“穿”過去。這種表現(xiàn)被科學(xué)家們稱為“量子隧穿”，微觀世界里的粒子，有時(shí)會(huì)神秘的“穿過”障礙。
宏觀和微觀是兩個(gè)世界，但今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位獲獎(jiǎng)?wù)邊s發(fā)現(xiàn)，在特殊設(shè)計(jì)的電路里，這種本來只存在于微觀世界的“穿墻術(shù)”也能在肉眼可見的宏觀世界出現(xiàn)。王華兵教授介紹，這便是三位科學(xué)家能夠獲獎(jiǎng)的關(guān)鍵，他們的科研貢獻(xiàn)在于：在由數(shù)十億粒子構(gòu)成的宏觀超導(dǎo)電路中，同時(shí)觀測(cè)到了“量子隧穿”與“能量量子化”兩大核心量子特性，證明量子效應(yīng)可突破微觀限制，在宏觀系統(tǒng)中顯現(xiàn)。
要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要特定的裝置。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬蒂尼斯在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。我們知道，在極低溫下，超導(dǎo)體中的電子會(huì)兩兩配對(duì)，形成“庫珀對(duì)”。這些庫珀對(duì)不再相互排斥，而是像訓(xùn)練有素的芭蕾舞團(tuán)，步調(diào)一致地流動(dòng)，從而讓超導(dǎo)體中所有的電子表現(xiàn)得像一個(gè)單一的、巨大的量子粒子。如果用一層極薄的絕緣體隔開兩塊超導(dǎo)體，便構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)中的核心電路元件“約瑟夫森結(jié)”?？茖W(xué)家們屏蔽干擾、維持極低溫，精密控制了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過偏置電流，讓約瑟夫森結(jié)處于臨界狀態(tài)，為宏觀量子隧穿提供了舞臺(tái)。電路起初處于一種“零電壓狀態(tài)”，就像被一道能量壘困住。按照經(jīng)典物理，在偏置電流小于臨界值時(shí)，它沒有足夠能量逃離，但量子力學(xué)允許它通過隧穿效應(yīng)，概率性地“閃現(xiàn)”到另一個(gè)產(chǎn)生電壓的狀態(tài)，從而被儀器檢測(cè)到。這便是科學(xué)家們觀測(cè)“宏觀量子隧穿”的過程。
獲獎(jiǎng)人來自同一課題組，是“導(dǎo)師+博士后+博士生”
量子不是“小玩意兒”，它在我們的電路中活著。通過這一觀測(cè)，量子效應(yīng)不再只是理論里的“玄學(xué)”，它可以被人類控制、設(shè)計(jì)、利用。這項(xiàng)研究，直接打通了從“經(jīng)典物理”到“量子科技”的橋梁。
三位獲獎(jiǎng)科學(xué)家長期從事量子力學(xué)方面的超導(dǎo)研究，他們都來自同一個(gè)科研小組，還是“導(dǎo)師+博士后+博士生”的組合。1968年，約翰·克拉克在英國劍橋大學(xué)博士畢業(yè)后來到了美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，成立了自己的研究小組，專門使用超導(dǎo)體和約瑟夫森結(jié)探索各種現(xiàn)象。到了20世紀(jì)80年代中期，米歇爾·德沃雷在巴黎獲得博士學(xué)位后作為博士后研究員加入了約翰·克拉克的研究小組。該小組還包括博士生約翰·馬蒂尼斯。他們一起承擔(dān)了揭示宏觀量子隧穿現(xiàn)象的挑戰(zhàn)。這項(xiàng)工作需要大量的關(guān)注和精確度來保障實(shí)驗(yàn)裝置免受所有可能影響它的干擾。他們成功地改進(jìn)和測(cè)量了電路的所有性質(zhì)，因而得以從細(xì)節(jié)上理解它。
“三位科學(xué)家的觀測(cè)，從今天的視角來看是構(gòu)成超導(dǎo)量子計(jì)算的基礎(chǔ)。需要指出的是，超導(dǎo)量子計(jì)算不是量子計(jì)算的唯一手段，但由于其超低損耗、參數(shù)可靈活設(shè)計(jì)、制備工藝與現(xiàn)代半導(dǎo)體微加工可兼容等特性，迅速成為了量子計(jì)算機(jī)研究的主要物理系統(tǒng)之一?！蓖跞A兵表示，這一課題組的重大突破，讓超導(dǎo)量子電路變?yōu)榱丝赡堋?/p>
量子效應(yīng)不再是“玄學(xué)”，他們推動(dòng)了量子技術(shù)革命
諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)對(duì)于三位科學(xué)家的觀測(cè)予以了高度評(píng)價(jià)。評(píng)審委員會(huì)認(rèn)為，“他們讓量子力學(xué)從不可見，變得可用?！艾F(xiàn)實(shí)世界”與“量子世界”的界限正在被打破，科學(xué)不只是冷冰冰的理論，它改變的，是我們能看見的未來。
有觀點(diǎn)認(rèn)為，今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位獲獎(jiǎng)?wù)卟粌H為物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室?guī)砹藢?shí)際應(yīng)用價(jià)值，更為人類從理論層面理解物理世界提供了全新的認(rèn)知維度。后來，約翰·馬蒂尼斯還將這一技術(shù)運(yùn)用到量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)中。他精準(zhǔn)利用了與其他兩位獲獎(jiǎng)?wù)吖餐?yàn)證的能量量子化現(xiàn)象。通過將具有量子化狀態(tài)的電路作為信息承載單元（即量子比特），以最低能態(tài)和第一激發(fā)態(tài)分別代表"0"和"1"狀態(tài)。超導(dǎo)量子電路技術(shù)正是當(dāng)前構(gòu)建未來量子計(jì)算機(jī)的重要探索路徑之一。
在我們的生活中，“量子力學(xué)”正在多角度參與。如量子計(jì)算機(jī)可以秒解超級(jí)難題，而量子通信、量子傳感器的誕生，更是讓疾病監(jiān)測(cè)、地震預(yù)測(cè)等變得更加高效與智能。記者了解到，南京大學(xué)在吳培亨院士的帶領(lǐng)下，成立了超導(dǎo)電子學(xué)研究所，王華兵教授是現(xiàn)任所長?！袄贸瑢?dǎo)約瑟夫森結(jié)做量子計(jì)算是研究所一個(gè)長期的重要研究方向，多位老師從事超導(dǎo)量子芯片及片上集成信號(hào)源等方面的研究，取得了一定的進(jìn)展，這些基礎(chǔ)研究成果，將會(huì)助力極低溫量子科技。國內(nèi)超導(dǎo)量子科技的研究如火如荼，而這些都離不開2025年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，離不開長期的超導(dǎo)基礎(chǔ)研究”。
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一天過去了，諾獎(jiǎng)組委會(huì)還沒聯(lián)系上生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主弗雷德
據(jù)環(huán)球網(wǎng)援引英國《衛(wèi)報(bào)》等外媒7日?qǐng)?bào)道，諾貝爾委員會(huì)至今未能聯(lián)系上2025年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主之一弗雷德·拉姆斯德爾——他正在進(jìn)行一次“遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)”的徒步旅行，享受一段美好時(shí)光。
此前，瑞典卡羅琳醫(yī)學(xué)院10月6日宣布，將2025年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予美國科學(xué)家瑪麗·布倫科、弗雷德·拉姆斯德爾和日本科學(xué)家坂口志文，以表彰他們?cè)谕庵苊庖吣褪軝C(jī)制方面的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。
報(bào)道稱，因這位獲獎(jiǎng)?wù)咭蛘幱凇斑h(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)”狀態(tài)，導(dǎo)致諾貝爾委員會(huì)始終無法與他取得聯(lián)系并告知獲獎(jiǎng)消息。
拉姆斯德爾的朋友、也是其實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合創(chuàng)始人的杰弗里·布魯斯通表示，拉姆斯德爾完全值得此殊榮，但他自己也聯(lián)系不上對(duì)方。“我一直在嘗試親自聯(lián)系他。我認(rèn)為他可能正在愛達(dá)荷州的偏遠(yuǎn)地帶徒步，”布魯斯通對(duì)法新社透露。
揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞?dòng)浾? 楊甜子