科技日報記者 張夢然

2025年是量子力學誕生一百周年。量子力學描述的是什么？是在單個粒子尺度上才“顯現(xiàn)”的物理特性。在量子物理學中，這些現(xiàn)象比光學顯微鏡所能觀測到的還要小得多，它們被稱為“微觀”現(xiàn)象。

這與由大量粒子構(gòu)成的“宏觀”現(xiàn)象形成對比。例如，一個日常生活中常見的球，由分子組成來描述的話就是天文數(shù)字級別的，它不會表現(xiàn)出任何量子力學效應(yīng)。人們都知道，每次把球扔向墻壁，它都會反彈回來。然而，一個單獨的粒子在其微觀世界中，有時卻能直接穿過類似墻的障礙，出現(xiàn)在“墻”的另一側(cè)。這種量子力學現(xiàn)象被稱為“隧穿”。

今年的諾貝爾物理學獎，表彰了那些在宏觀尺度上、涉及大量粒子的情況下，成功觀測到量子隧穿現(xiàn)象的實驗。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯三位科學家在美國加州大學伯克利分校進行的一系列實驗，構(gòu)建了一個包含兩個超導體的電路。超導體是能夠以零電阻傳導電流的材料，這兩個超導體之間由一層完全不導電的薄材料隔開。但在實驗中，他們證明了可以控制并研究一種現(xiàn)象：超導體中的所有帶電粒子協(xié)同運動，表現(xiàn)得就像一個單一的粒子，充滿整個電路。

這種類粒子系統(tǒng)被束縛在一個有電流流動但沒有電壓的狀態(tài)中。在實驗中，該系統(tǒng)通過量子隧穿效應(yīng)展現(xiàn)出了量子特性：從零電壓狀態(tài)中逃逸出來，并產(chǎn)生一個電勢差（電壓）。

與此同時，今年的三位獲獎?wù)哌€證明了這一系統(tǒng)的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量吸收或釋放能量。

什么是隧穿與跨越？

為了開展研究，三位獲獎?wù)呓柚藬?shù)十年來發(fā)展起來的理論概念和實驗工具。

我們知道，量子物理與相對論共同構(gòu)成了所謂“現(xiàn)代物理學”的基礎(chǔ)。過去一個世紀以來，無數(shù)科研人員一直在探索其深遠含義。

單個粒子發(fā)生隧穿的現(xiàn)象，其實早已為人所知。1928年，物理學家喬治·伽莫夫意識到，正是隧穿效應(yīng)導致某些重原子核以特定方式發(fā)生衰變。原子核內(nèi)部各種力的相互作用在其周圍形成了一道勢壘，將內(nèi)部粒子束縛其中。然而，盡管存在這道勢壘，原子核的一小部分仍有時能分裂出來，穿過勢壘逃逸出去，從而使原來的原子核轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素。如果沒有隧穿效應(yīng)，這類核衰變就不可能發(fā)生。

隧穿是一種量子力學過程，其中包含著隨機性。某些類型的原子核具有又高又寬的勢壘，因此其粒子需要很長時間才能出現(xiàn)在勢壘之外；而另一些類型的原子核則更容易發(fā)生衰變。如果人們只觀察單個原子，那無法預(yù)測隧穿何時會發(fā)生；但通過觀測大量同種原子核的衰變行為，可以測量出隧穿發(fā)生的平均時間。描述這一現(xiàn)象最常見的方法是“半衰期”概念，即樣品中一半原子核發(fā)生衰變所需的時間。

物理學家很快開始思考：是否有可能研究一種涉及多個粒子同時參與的隧穿現(xiàn)象？探索新型實驗的一個方向，源自某些材料在極低溫下出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象。

在普通導電材料中，電流的產(chǎn)生是由于存在可在整個材料中自由移動的電子。在某些材料中，穿過導體的獨立電子會變得有序，形成一種協(xié)調(diào)一致的“舞蹈”，毫無阻力地流動。此時材料就變成了超導體，而電子則兩兩結(jié)合成對。這種電子對被稱為“庫珀對”，以萊昂·庫珀命名。他與約翰·巴丁和羅伯特·施里弗共同詳細描述了超導體的工作機制（三人因此獲得1972年諾貝爾物理學獎）。

庫珀對的行為與普通電子完全不同。電子具有很強的“個體性”，傾向于彼此保持距離——兩個具有相同性質(zhì)的電子不可能處于同一狀態(tài)。這一點在原子中可以明顯看到，例如電子分布在不同的能級（即電子殼層）上。然而，當超導體中的電子結(jié)成對后，它們的部分個體性就消失了；雖然兩個獨立的電子總是可區(qū)分的，但兩個庫珀對卻可以完全相同。這意味著超導體中的所有庫珀對可以被描述為一個整體，一個統(tǒng)一的量子力學系統(tǒng)。用量子力學的語言來說，它們具有一個共同的波函數(shù)。這個波函數(shù)描述了在給定狀態(tài)下觀測到該系統(tǒng)的概率及其具有的特定性質(zhì)。

科學家們的起步

這些課題恰好契合約翰·克拉克的研究。他當時是美國加州大學伯克利分校的教授，此前于1968年在英國劍橋大學獲得博士學位后移居美國。在伯克利，他組建了自己的研究團隊，專注于利用超導體和約瑟夫森結(jié)來探索多種物理現(xiàn)象。

到20世紀80年代中期，米歇爾·H·德沃雷特在巴黎獲得博士學位后，作為博士后加入了約翰·克拉克的研究團隊。該團隊還包括博士生約翰·M·馬丁尼斯。他們?nèi)斯餐袚鹱C明“宏觀量子隧穿”的挑戰(zhàn)。實驗裝置必須極其精細，并采取大量措施屏蔽外界干擾。他們成功地優(yōu)化并精確測量了電路的所有特性，從而能夠深入理解該系統(tǒng)的運行機制。

為了測量量子現(xiàn)象，他們向約瑟夫森結(jié)注入一個微弱的電流，并測量電壓（電壓與電路中的電阻相關(guān)）。最初，約瑟夫森結(jié)兩端的電壓為零，這符合預(yù)期，因為系統(tǒng)的波函數(shù)被限制在一個不會產(chǎn)生電壓的狀態(tài)中。接著，他們研究了系統(tǒng)從該狀態(tài)隧穿出去所需的時間，一旦發(fā)生隧穿，就會出現(xiàn)電壓。由于量子力學本質(zhì)上具有隨機性，他們進行了大量重復測量，并將結(jié)果繪制成圖，從中讀取零電壓狀態(tài)的持續(xù)時間。這種方法類似于通過大量衰變事件的統(tǒng)計來測量原子核的半衰期。

三位科學家構(gòu)建了一個使用超導電路的實驗裝置。承載該電路的芯片尺寸約為一厘米。此前，隧穿效應(yīng)和能量量子化主要在僅含少數(shù)粒子的系統(tǒng)中被研究；而在此實驗中，這些量子現(xiàn)象出現(xiàn)在一個包含數(shù)十億個庫珀對的宏觀量子系統(tǒng)中，這些庫珀對遍布整個芯片上的超導體。因此，這項實驗將量子效應(yīng)從微觀尺度推進到了宏觀尺度。

這種隧穿現(xiàn)象表明，實驗中那些協(xié)調(diào)運動的庫珀對，表現(xiàn)得就像一個巨大的單一粒子。當科學家們進一步觀察到系統(tǒng)具有分立的、量子化的能級時，這一結(jié)論得到了進一步證實。

量子力學之所以得名，正是源于人們發(fā)現(xiàn)微觀過程中的能量，是以離散的“包”（即“量子”）形式存在的。今年的三位獲獎?wù)呦蛄汶妷籂顟B(tài)引入了不同波長的微波，發(fā)現(xiàn)其中某些頻率的微波被系統(tǒng)吸收，導致系統(tǒng)躍遷到更高的能級。這表明：當系統(tǒng)能量更高時，零電壓狀態(tài)的持續(xù)時間更短——這正是量子力學所預(yù)測的結(jié)果。

理論與實踐意義

這項實驗對理解量子力學具有深遠影響。以往在宏觀尺度上展示的量子效應(yīng)，通常是由大量微小單元各自獨立的量子性質(zhì)疊加而成。這些微觀組分共同導致宏觀現(xiàn)象，例如激光、超導體和超流體。然而，這一實驗卻不同：它從一個本身就具有宏觀性的狀態(tài)，即大量粒子共享的統(tǒng)一波函數(shù)產(chǎn)生了一個宏觀效應(yīng)——可測量的電壓。

理論物理學家安東尼·萊格特曾將獲獎?wù)叩暮暧^量子系統(tǒng)，與著名的“薛定諤的貓”思想實驗相比較。在該思想實驗中，如果不去觀察，貓就同時處于“活著”和“死亡”的疊加態(tài)（薛定諤因此獲得1933年諾貝爾物理學獎）。這個思想實驗的初衷是揭示這種狀態(tài)的荒謬性，因為在宏觀尺度上，量子力學的特殊性質(zhì)通常會被抹去。人們無法在實驗室中真正展示一只貓的量子疊加態(tài)。

然而，萊格特認為，今年三位獲獎?wù)咚M行的一系列實驗表明，確實存在一些現(xiàn)象，其中大量粒子共同表現(xiàn)出量子力學所預(yù)測的行為。盡管由眾多庫珀對構(gòu)成的這個宏觀系統(tǒng)在尺寸上仍比一只小貓小好幾個數(shù)量級，但由于實驗測量的是整個系統(tǒng)的整體量子特性，因此在量子物理學家看來，它與薛定諤那只假想中的貓在本質(zhì)上是相當類似的。

這類宏觀量子態(tài)，為人們利用微觀粒子世界規(guī)律進行新實驗提供了新的可能。它可以被視為一種“大型人工原子”——一個帶有電纜和接口的人工原子，可以連接到新的測試裝置中，或用于開發(fā)新型量子技術(shù)。例如，這類人工原子可用于模擬其他量子系統(tǒng)，幫助人們理解它們的性質(zhì)。

另一個實用例子，則是馬丁尼斯后來進行的量子計算機實驗，該實驗正是利用了他與另外兩位獲獎?wù)咚芯康哪芰苛孔踊匦浴褂镁哂辛孔踊芗壍碾娐纷鳛樾畔⑤d體，即量子比特（qubit）。最低能級和第一個激發(fā)態(tài)分別代表“0”和“1”，這正是構(gòu)建未來量子計算機的技術(shù)路徑之一。

可以說，今年的獲獎?wù)卟粌H深化了人們對物理世界的理解，也為發(fā)展新一代量子技術(shù)（包括量子加密、量子計算和量子傳感等領(lǐng)域）開辟了新路徑。

諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃里克松表示：“量子力學在百年發(fā)展歷程中持續(xù)帶來新突破，值得共同慶賀。而這項研究更具重大應(yīng)用價值，因為量子力學是所有數(shù)字技術(shù)的基石。”

（圖片來源：瑞典皇家科學院）