2025诺贝尔物理学奖揭晓 授予电路中宏观量子化相关研究

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瑞典皇家科学院7日宣布，将2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克 (John Clarke)、米歇尔·H·德沃雷特 (Michel H. Devoret) 和约翰·M·马丁尼斯 (John M. Martinis)，以表彰他们“发现了电路中的宏观量子隧穿和能量量化”。

三位诺贝尔奖得主通过一系列实验证明，量子特性在一个大到可以握在手中的系统中也能崭露无遗。他们的超导电子系统可以从一种状态隧穿到另一种状态，就像直接穿过一堵墙一样。他们还证明，该系统能够吸收和释放特定大小的能量，正如量子力学所预测的那样。

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诺贝尔物理学奖委员会主席奥勒·埃里克森表示：“能够庆祝百年量子力学不断带来新的惊喜，真是太棒了。它也意义非凡，因为量子力学是所有数字技术的基础。”

诺贝尔公报写道，物理学中的一个关键问题是，在宏观世界中量子力学效应的界限在哪里。今年的诺贝尔奖得主们通过实验证明，在一个大到可以握在手中的系统中，可以同时展示量子力学隧穿效应和量子能级。

量子力学允许粒子在总能量小于势垒能量的情况下，通过一个称为“量子隧穿”的现象直接穿过势垒。一旦涉及大量粒子，量子力学效应通常就会变得微不足道。诺贝尔奖得主的实验表明，量子力学特性可以在宏观尺度上被观察到或体现。

1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯利用由超导体构成的电子电路进行了一系列实验。超导体是一种能够在无电阻的情况下传导电流的元件。在电路中，超导元件被一层薄薄的非导电材料隔开，这种装置被称为约瑟夫森结。通过改进和测量电路的各种特性，他们能够控制和探索电流通过时产生的现象。带电粒子在超导体中移动，共同构成了一个系统，其行为就像一个充满整个电路的单个粒子一样。

这个宏观粒子状系统最初处于一种无电压、有电流流动的状态。系统被困在这种状态，仿佛被一道无法逾越的屏障所阻挡。实验中，系统通过隧穿效应成功逃脱零电压状态，展现出其量子特性。系统状态的改变可以通过电压的出现被检测到。

获奖者还证明了该系统的行为方式符合量子力学的预测——它是量子化的，这意味着它只吸收或发射特定数量的能量。

今年的诺贝尔物理学奖为开发下一代量子技术提供了机遇，包括量子密码学、量子计算和量子传感器。