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詳解2025諾貝爾物理學獎：他們在人類尺度上觀測到量子力學
2025 年10 月7 日台北時間17 時45 分許，英國學者約翰·克拉克（John Clarke）、法國學者米歇爾·H.德沃雷特（Michel H. Devoret）和美國學者約翰·M. 馬蒂尼斯（John M. Martinis） 因發現宏觀力學、量子效應以及電路中的能量量子化現象，2025 年。
約翰·克拉克（John Clarke），1942 年出生於英國劍橋。 1968 年獲得英國劍橋大學博士學位。他在超導和超導電子學方面做出了重大貢獻，特別是在超導量子乾涉元件（SQUID）的開發和應用方面，超導量子乾涉元件是超靈敏的磁通偵測器。目前的一個項目是應用配置為量子雜訊限制放大器的SQUID 來搜尋軸子（暗物質的可能組成部分）。克拉克於1986 年被選為英國皇家學會院士，1999 年獲得康斯托克物理學獎，2004 年獲得休斯獎章。 2012 年5 月，他當選為美國科學院外籍院士。現任美國加州大學柏克萊分校教授。
米歇爾·H.德沃雷特（Michel H. Devoret），1953 年出生於法國巴黎。 1982 年獲得法國巴黎南大學博士。他以其在宏觀量子穿隧效應和單電子泵浦方面的開創性工作以及對開創電路量子電動力學和量子學領域的開創性貢獻而聞名。現任美國耶魯大學、加州大學聖塔芭芭拉分校教授。
約翰·M. 馬蒂尼斯（John M. Martinis），生於1958 年。 1987 年獲得美國加州大學柏克萊分校博士。在攻讀博士學位期間，他研究了宏觀變數的量子行為，即約瑟夫森隧道結上的相位差。現任加州大學聖塔芭芭拉分校教授。
2025年諾貝爾物理學獎得主約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H.德沃雷特（Michel H. Devoret）和約翰·M. 馬蒂尼斯（John M. Martinis）透過一系列實驗證明，就算一個系統大到可以握在手中，量子世界的奇異特性也能在其中體現出來。他們的超導電路系統可以從一個狀態穿隧到另一個狀態，就像直接穿過一面牆一樣。他們還表明，該系統以特定大小的劑量吸收和發射能量，正如量子力學所預測的那樣。
一系列開創性的實驗
量子力學描述的是在涉及單一粒子的尺度上具有重要意義的特性。在量子物理學中，這些現像被稱為微觀現象，它們遠小於光學顯微鏡所能看到的尺寸。這與宏觀現象形成對比，宏觀現象由大量粒子組成。例如，一個日常的球由天文數量的分子構成，顯示不出任何量子力學效應。我們知道，球每次被丟向牆壁時都會反彈回來。然而，單一粒子有時會在其微觀世界中直接穿過障礙物。這種量子力學現象稱為穿隧（tunnelling）。
當你把球扔向牆壁時，你可以確信它會反彈回來。但在量子力學中，它可能出現在牆的另一側。量子物理學以這些奇異和違反直覺的現象而聞名。
今年的諾貝爾物理學獎表彰了展示如何在宏觀尺度上觀察量子隧道的實驗，涉及許多粒子。 1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特和約翰·馬蒂尼斯在加州大學柏克萊分校進行了一系列實驗。他們用兩個超導體建構了一個電路，超導體是可以無電阻導電的元件。他們用一層完全不導電的薄材料將這些超導體分開。在這個實驗中，他們表明可以控制和研究超導體中所有帶電粒子協調一致行為的現象，就好像它們是填充整個電路的單一粒子。
這個類似粒子的系統被困在一個電流無電壓流動的狀態中──這是一個沒有足夠能量逃脫的狀態。在實驗中，該系統透過隧道逃離零電壓狀態，產生電壓，從而顯示出其量子特性。獲獎者還能夠表明該系統是量子化的，這意味著它只以特定數量吸收或發射能量。
最初，實驗中完全沒有電壓。這就好比有一個處於關閉位置的開關，有某種東西阻止它被移動到開啟位置。如果沒有量子力學的效應，這種狀態將保持不變。突然，電壓出現了。這就好像開關從關閉移動到了開啟位置，儘管兩者之間存在障礙。實驗中發生的這種現象稱為宏觀量子穿隧。
穿隧和跨越
為了幫助他們，獲獎者擁有幾十年來發展的概念和實驗工具。量子物理學與相對論一起，是現代物理學的基礎，研究人員在過去一個世紀中一直在探索它的意義。
單一粒子的穿隧能力是眾所周知的。 1928年，物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）意識到穿隧是某些重原子核以特定方式衰變的原因。原子核內部的相互作用在其周圍形成了一個勢壘，將粒子固定住。然而，儘管如此，原子核的一小部分有時會分裂出來，移到勢壘外並逃脫——留下一個已轉變為另一種元素的原子核。沒有穿隧，這種衰變就不會發生。
穿隧是一個量子力學過程，這意味著機率是個關鍵。某些類型的原子核具有高而寬的勢壘，因此原子核的一部分可能需要很長時間才能穿隧到外部，而其他類型則更容易衰變。如果我們只看一個原子，我們無法預測何時會發生這種情況，但透過觀察大量相同類型原子核的衰變，我們可以測量穿隧發生前的預期時間。常見的方式是藉助半衰期的概念，即樣本中一半原子核衰變所需的時間。
物理學家在近一個世紀以來就知道，穿隧對於一種特定類型的核衰變（α衰變）是必要的。原子核的一小部分掙脫出來並出現在原子核外部。
物理學家很快就想知道是否有可能研究一次涉及多個粒子的穿隧類型。新型實驗的一種方法源自於某些材料變得極冷時所出現的現象。
在普通導電材料中，電流流動是因為有可以在整個材料中自由移動的電子。在某些材料中，穿過導體的單一電子可能會變得有組織，形成一種無阻力流動的同步舞蹈。材料變成了超導體，電子成對結合在一起。這些被稱為庫柏對，以利昂·庫柏的名字命名，他與約翰·巴丁（John Bardeen）和羅伯特·施里弗（Robert Schriefer）一起詳細描述了超導體的工作原理(1972年諾貝爾物理學獎)。
（1）在普通導體中，電子相互碰撞，也與材料發生碰撞。 （2）當材料變成超導體時，電子成對結合，形成庫柏對，並形成無電阻的電流。圖示中的間隙標示了約瑟夫森結。 （3）庫柏對的行為可以像它們都是填充整個電路的單一粒子。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著主導作用。
庫柏對的行為與一般電子完全不同。電子具有很強的獨立性，喜歡彼此保持距離——如果兩個電子具有相同的性質，它們就不能在同一個地方。例如，我們可以在原子中看到這一點，電子將自己分為不同的能階,稱為殼層。然而，當超導體中的電子成對結合時，它們失去了一些獨立性；雖然兩個孤立的電子總是不同的，但兩個庫柏對可以完全相同。這意味著超導體中的庫柏對可以被描述為一個單元，一個量子力學系統。在量子力學的語言中，它們被描述為單一的波函數。這個波函數描述了在給定狀態下觀察到具有給定性質的系統的機率。
如果兩個超導體之間用一層薄的絕緣勢壘連接在一起，就會形成約瑟夫森結。該元件以布萊恩·約瑟夫森（Brian Josephson）的名字命名，他對該結進行了量子力學計算。他發現，當考慮結兩側的波函數時，會出現有趣的現象(1973年諾貝爾物理學獎)。約瑟夫森結迅速找到了應用領域，包括精確測量基本物理常數和磁場。
該結構還提供了以新方式探索量子物理學基礎的工具。安東尼·萊格特（Anthony Leggett，2003年諾貝爾物理學獎）就是這樣做的人之一，他關於約瑟夫森結處宏觀量子隧道的理論工作激發了新型實驗。
研究小組開始工作
這些主題與約翰·克拉克的研究興趣完美匹配。他當時是美國加州大學柏克萊分校的教授，1968年在英國劍橋大學完獲得博士學位後搬到那裡。在加州大學柏克萊分校，他成立了自己的研究小組，專門使用超導體和約瑟夫森結來探索各種現象。
到了1980年代中期，米歇爾·H.德沃雷特在巴黎獲得博士學位後作為博士後研究員加入了約翰·克拉克的研究小組。該小組還包括博士生約翰·馬蒂尼斯。他們一起承擔了揭示宏觀量子穿隧現象的挑戰。這項工作需要大量的關注和精確度來保障實驗裝置免受所有可能影響它的干擾。他們成功地改進和測量了電路的所有性質，從而得以從細節上理解它。
為了測量量子現象，他們向約瑟夫森結輸入微弱電流並測量其電壓，其中電壓與電路電阻有關。如理論預期，約瑟夫森結的初始電壓為零，因為系統的波函數被束縛在一個不允許產生電壓的狀態中。隨後，他們測量了系統透過量子隧道從該狀態脫離並產生電壓需要多長時間。由於量子過程具有隨機性，他們進行了大量重複測量，並將結果繪製成統計圖表，從中可以讀出零電壓狀態的持續時間。這種方法類似於透過大量原子核衰變事件來統計確定其半衰期。
約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬蒂尼斯使用超導電路建構了一個實驗。承載該電路的晶片大約一公分大小。先前，隧道和能量量子化的研究都是在只有少數粒子的系統中進行的；而在這裡，這些現像出現在一個量子力學系統中，該系統具有數十億個庫柏對，填充了晶片上的整個超導體。透過這種方式，該實驗將量子力學效應從微觀尺度帶到了宏觀尺度。
穿隧現象表明，實驗裝置的庫柏對能夠以高度同步的「舞蹈步伐」系統運動，宛如一個巨大的粒子。當研究人員看到系統具有量子化的能階時，他們進一步確認了這一點。量子力學是根據微觀過程中的能量被分成獨立的包——量子——的觀察而命名的。得獎者將不同波長的微波引入零電壓狀態。其中一些被吸收，然後系統躍遷到更高的能階。這表明，當系統包含更多能量時，零電壓狀態的持續時間更短——這正是量子力學所預測的。這種機制同樣適用於被束縛在勢壘中的微觀粒子。
實踐與理論意義
勢壘後面的量子力學系統可以具有不同數量的能量，但它只能吸收或發射特定數量的能量。該系統是量子化的。在較高能階時穿隧比在較低能階時更容易發生，因此，從統計學上講，具有更多能量的系統被束縛的時間比具有較少能量的系統更短。
這個實驗對理解量子力學產生了重要影響。在宏觀尺度上觀察到的其他量子力學效應由許多微小的個體部分及其各自的量子特性組成。這些微觀成分組合起來後，產生如雷射、超導體和超流體等宏觀現象。然而，這個實驗卻從一個本身是宏觀的狀態中，直接創造了一個宏觀效應——可測量的電壓——以大量粒子的共同波函數的形式。
像安東尼·萊格特（Anthony Leggett）這樣的理論家，將獲獎者的宏觀量子系統與埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）著名的思想實驗進行了比較。薛丁格的思想實驗涉及一隻在盒子裡的貓，如果我們不往裡面看，這隻貓既是活的也是死的。 (埃爾溫·薛定諤獲得了1933年諾貝爾物理學獎。)他的思想實驗的目的是展示這種情況的荒謬性，因為量子力學的特殊性質在宏觀尺度上往往會被抹去。整隻貓的量子特性無法在實驗室實驗中證明。
然而，萊格特認為，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷特和約翰·馬蒂尼斯進行的一系列實驗表明，確實存在涉及大量粒子的現象，這些粒子共同表現得如量子力學所預測的那樣。由許多庫柏對組成的宏觀系統仍然比貓小許多數量級——但因為實驗測量的是適用於整個系統的量子力學性質，對於量子物理學家來說，它與薛定諤想像中的貓相當相似。
這種類型的宏觀量子態為使用支配粒子微觀世界的現象進行實驗提供了新的潛力。它可以被視為大規模的人造原子——一個帶有電纜和插座的原子，可以連接到新的測試裝置或用於新的量子技術。例如，人造原子被用來模擬其他量子系統並幫助理解它們。
另一個例子是馬蒂尼斯隨後進行的量子電腦實驗，在該實驗中，他正是利用了他和其他兩位獲獎者所展示的能量量子化。他使用具有量子化狀態的電路作為承載資訊的單位－量子位元。其最低能態和第一激發態分別編碼訊息0和1。超導電路是在嘗試建構未來量子電腦中正在探索的技術之一。
因此，今年的獲獎者既為物理實驗室的實際應用做出了貢獻，也為理論上理解我們的物理世界提供了新資訊。
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