在量子物理的世界裏，常常會發生一些違反直覺的事情：粒子能穿過牆壁、能量像硬幣一樣一枚一枚地發放、一個系統能同時處在兩個狀態之中。這樣的現象看似只存在於微觀世界，遠離我們的日常經驗，但今年的諾貝爾物理學獎告訴我們，這些「奇異」的量子現象，可以在你手心大小的電路中發生。
這張圖用生活中的一個例子（球扔向牆壁會反彈）來解釋量子力學中的隧道效應。在量子力學的微觀世界裏，微觀粒子有一定的概率穿過原本看似不可逾越的「牆壁」，出現在牆壁的另一側。這與我們日常中基於經典物理形成的直覺相違背，所以讓人覺得量子力學很「怪異」。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
2025年諾貝爾物理學獎授予了三位科學家：約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們「在電路中發現宏觀量子隧穿與能量量子化」的成就。他們讓量子力學從原子與電子的微觀舞台，躍上了可以觸摸的人類尺度。
當量子世界伸向人類尺度
我們都知道，扔出的球會撞在牆上反彈回來，不可能「穿牆而過」。但在量子世界中，粒子卻能做到這一點，這就是著名的「量子隧穿」。
在原子核中，粒子偶爾會穿越能量屏障逃逸出來，這種「穿牆術」正是放射性衰變（如α衰變）的根源。
物理學家已經知道，隧道效應對於一種特定類型的核衰變（α衰變）來說是必需的。原子核中的一小部分會脫離原子核並出現在原子核的外面。這裏強調了隧道效應在α衰變過程中的重要性，解釋了α衰變過程中α粒子是如何從原子核內部穿越勢壘（Barrier）而逃逸到原子核外部的現象。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
然而，這種現象通常只出現在單個粒子層面。幾十年來，物理學家都在追問：能否讓由無數粒子組成的宏觀體系，也表現出同樣的量子行為？
2025年的三位諾貝爾獎得主給出了一個漂亮的答案：可以。
在超導電路中建造「量子隧道」
時間回到上世紀80年代中期。美國加州大學伯克利分校的實驗室里，教授約翰·克拉克帶領他的團隊，包括博士後米歇爾·德沃雷和博士生約翰·馬丁尼斯，開始搭建一個看似普通的電路。這個電路由兩塊超導體組成，中間夾着一層極薄的絕緣層，這種結構被稱為約瑟夫森結（Josephson junction）。
1、在普通的導體中，電子之間會相互碰撞，同時也會與導體材料發生碰撞。2、當一種材料變成超導體時，電子會成對結合，形成庫珀對，並且形成一種沒有電阻的電流。圖中的空白部分表示的是約瑟夫森結。3、庫珀對可以表現得像一個單一的粒子，充滿了整個電路。量子力學使用共享的波函數來描述這種集體狀態。這個波函數的性質在獲獎者的實驗中起着主導作用。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
在超導體中，電子並非各自為戰，而是成對「結伴而行」，形成所謂的庫珀對（Cooper pair）。這些電子對不再像普通電子那樣互相推擠，而是像一支完美合拍的舞蹈隊伍，共同流動、沒有阻力。整個系統可以用一個統一的「波函數」來描述。這意味着，它表現得就像一個巨大的「量子粒子」。
於是，這個由無數電子組成的宏觀體系，竟然具備了量子世界的特性。克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯正是利用這一特性，設計出可以觀察「宏觀量子隧穿」的實驗。
這張圖片描述了一個關於超導電路的實驗。實驗使用了一個超導電路，這個電路被放置在一個晶片上，晶片的尺寸大約為一厘米左右。此前，隧道效應和能量量子化等現象通常是在只有少數粒子的系統中進行研究的。而在這個實驗中，這些量子現象出現在了一個宏觀的量子力學系統中。這個系統包含數十億個庫珀對，這些庫珀對充滿了晶片上的整個超導體。通過這種方式，該實驗將量子力學效應從微觀尺度擴展到了宏觀尺度。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
他們向電路中輸入微弱電流，並測量電壓變化。在沒有量子效應時，電壓應當始終為零，就像一個被卡住的開關。然而在實驗中，他們驚訝地發現：電壓會突然跳動，好像系統「穿過了」一個無形的能量屏障。
這張圖片描述了一個實驗現象，實驗開始時沒有電壓，就像一個被障礙物阻擋的槓桿處於關閉位置。在經典物理學中，這種狀態會一直保持。但是量子力學允許電壓「隧穿」過障礙物，使得電壓突然出現，這種現象被稱為宏觀量子隧穿。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
換句話說，電路中的整個超導體系，完成了一次宏觀量子隧穿。
能量的「量子化」——跳台式的世界
更令人興奮的是，他們還發現這個系統的能量不是連續變化的，而是分成一個個「台階」，只能按特定的份額吸收或釋放能量。這種現象被稱為能量量子化（energy quantisation）。
實驗團隊向電路中注入不同波長的微波。當微波的能量恰好與某一級能量差匹配時，電路就會「吸收」這份能量，並跳到更高的能級，就像粒子在量子世界中躍遷一樣。這正是量子世界的特徵：能量不流動，而是「跳躍」。
在量子力學體系里，粒子的能量並非是連續可變的。就好比你爬樓梯，不能停留在兩個台階之間的位置，而必須完整地從一個台階邁到另一個台階。粒子的能量也是一樣，它只能處於某些特定的能級上，吸收或釋放的能量也是特定的、離散的值，這就是能量的量子化現象。圖源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
結果：能量多了，系統更容易「穿牆」；能量少了，系統就被困得更久。這與量子力學的理論預測完全一致。
這一切與量子力學的預測完美吻合。不同的是，這次不是電子，不是原子，而是一個由上千億個粒子構成的宏觀系統，在執行一場量子力學的「表演」。
從薛定諤的貓到「人手可握的量子世界」
這項實驗震撼了整個物理界。長期以來，人們認為量子現象只存在於微觀層面，而宏觀世界會因環境擾動而「去量子化」。
正如著名的思想實驗「薛定諤的貓」所描述的：在量子疊加態下，貓既活又死，但一旦我們打開盒子，現實只會留下一個結果。
但理論物理學家安東尼·萊格特（Anthony Leggett）曾提出，或許存在一種中間狀態：宏觀體系也能以量子方式存在。
克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯的實驗正是這種思想的實證版本。他們讓一個「宏觀電子體」展現出量子躍遷與隧穿行為。這是過去被認為不可能實現的。
這個系統雖然比貓小無數倍，但它確實讓「量子貓」從想像變成了可測量的現實。
量子計算的伏筆
這項研究不僅僅是物理學上的突破，更是量子技術的奠基石。約翰·馬蒂尼斯後來將這種具有量子化能級的超導電路，用作信息單元，也就是量子比特（qubit）。
在量子計算機中，一個比特既能是「0」，也能是「1」，還能同時處於「0與1」的疊加態。這正是克拉克、德沃雷與馬蒂尼斯早年實驗所揭示的物理特性。如今，全球領先的量子計算研究（包括Google的量子晶片）都直接受益於他們開創的思路。
這些「人造原子」不再只是實驗裝置，而是有可能成為未來量子計算機的核心元件。
結語：當量子從理論走向現實
從最初的思辨，到實驗的巧思，再到技術的應用，2025年的諾貝爾物理學獎標誌着一個重要的轉折：量子力學不再只是「微觀的魔法」，它開始進入我們可以製造、操控、甚至握在手中的世界。
克拉克、德沃雷和馬蒂尼斯三人用一個厘米大小的電路，讓人類第一次在「可見的尺度上」驗證了量子力學的神奇。他們讓薛定諤的貓，不再只是一個思想實驗的笑談，而成為一個通往未來科技的真實起點。
