来自 科技2025-10-09 12:01:26
【导语】2025年，正值量子力学诞生百年之际，诺贝尔物理学奖再度花落该领域，授予美国科学家约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马丁尼斯，以表彰其发现电路中的宏观量子力学隧穿效应和能量量子化。这一成果不仅颠覆了量子现象仅存于微观世界的认知，更为超导量子计算奠定基础。然而，奖项颁发也引发学界对“时机是否过早”的讨论，有学者认为目前相关概念在应用领域尚未实现革命性突破；不过也有观点指出，这体现(xiàn)了(le)诺(nuò)奖(jiǎng)对基础前沿理论与实际应用结合的重视，也将鼓励更多科研人员投身量子领域探索。
约翰·克拉克（左）、米歇尔·德沃雷特（中）和约翰·马丁尼斯。
在量(liàng)子(zi)力(lì)学诞生百年(nián)的(de)2025年(nián)，这个领域又增添了新的诺贝尔物理学奖。
10月7日，2025年诺贝尔物理学(xué)奖(jiǎng)揭(jiē)晓(xiǎo)，分(fēn)别(bié)授予美国科学家约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷特（Michel Devoret）和约翰·马丁尼斯(sī)（John Martinis），以(yǐ)表(biǎo)彰他们“发现了电路中的宏观量子力学隧穿效应和能量量子化”。
“我完全惊呆了，我从来没有想过会拿到诺贝尔奖。”当得知自己获奖时，克拉克大吃一惊。1984年和1985年，克拉克带着他的博士后德沃雷特和学生马丁尼斯，针对由超导体构建的电子电路做了一系列实验，证明了量(liàng)子(zi)不(bù)仅存在于微观世界，它的奇异特性还可以在像手掌那么大的宏观系统中具象体现。
诺贝尔物理学委员会(huì)主席奥勒·埃里克森（Olle Eriksson）表示：“能够庆祝百年历史的量子力学不断带来新的(de)惊(jīng)喜，这真是太棒了。量子力(lì)学(xué)是极其有用的，因为它是所有数字技术的基础。”
“奖项似乎给得有点早”
《中国科学报》：时隔3年，诺贝尔物理学奖再次颁给了量子力学领域，你对此有何感想？
中国科学院物理研究所研究员梁文杰：我没想到宏观量子效应和能量量子化会获奖，但仔细想，它们确实是比较基础的概念，获奖也很合理。只不过，目前这两个概念在应用领域并没有实现革命性爆发，奖项似乎给得有点早。这是我个人的判断。
中国科学技术大学教授、中国科学院量子信息重点实验室副主任郭国平：首先，我觉得这次诺奖比较大胆，毕竟量子计算的超导路线目前并未完全走通或一定能成功；其次，我认为这代表了西方科学界对量子计算的鼓励态度，是一种导向。
从事超导量子计算研究的匿名科学家：纯粹个人看法，我认为是早了。等超导量子计算机真正落地的那天再颁发给他们，可能才是最有说服力的。因为一旦真正实现了超导量子计算机，将直接改变人类处理信息的格局。
但这其实也正是我想呼吁的，因为我特别担心诺奖颁给超导量子计算的开创者后，大家会认为超导量子计算机会马上实现，更担心别有用心者会过度炒作甚至消费量子计算机。这对我们真正做超导量子计算的人而言是一种伤害。
复旦大学物理学系教授李晓鹏：颁奖前我在想，这次物理学奖大概率会颁给量子领域的科学家，因为今年刚好是现代量子力学诞生100周年。我没有想到是这3位科学家，但他们绝对实至名归。我作为量子领域的科研人员，心情非常激动，也很受鼓舞。
上海交通大学物理与天文学院教授李亮：宏观量子力学隧穿效应和能量量子化虽然是相对小众的领域，但至少属于物理学。因此，听到物理学奖颁发给这个领域后，我有一种如释重负的感觉，物理学奖终于“回归正常”了。
诺奖评选近两年发生了很大变化，可能是诺奖委员会“与时俱进”的结果。今年它一方面强调基础前沿理论，另一方面又密切联系实际应用。从这个意义上讲，诺奖委员会是下了一番功夫的。
为超导量子计算发展奠定基础
《中国科学报》：能否通俗介绍一下“宏观量子力学隧穿效应和能量量子化”？这个研究有什么“用处”？
梁文杰：“量子隧穿效应(yīng)”通(tōng)俗(sú)讲就是崂山道士念咒语后穿到了墙的另一边，这是量子力学的基本特点。今年诺奖涉及的“宏观量子隧穿”，是说隧穿效应达到了可以宏观观测的程度，即毫米级甚至更大尺度。我们身边常见的宏观量子效应是超导体。
“能量量子化”是指能量只能一份一份地变化。就像水龙头里的水，经典条件下想调大流速，需要把水龙头开大；但如果是量子化的，比方说水流只能每秒流1立方、2立方、3立方，但想调到1.5立方就做不到了。几位诺奖得主发现宏观电路也存在量子化行为，可以借此进行精准的能量和信息传输与校准。
传统量子隧穿效应都存在于非常小的体系中，这次获奖的工作证明量子隧穿也可以出现在手里拿的器件中，且发现了其中的能量量子化效应。这一效应有可能成为未来电路的基础，即电子电路不再只依靠数电子电量控制信息，而是通过宏量的电子相位相干调控来控制信息。这可能是诺奖委员会看重的。
李晓鹏：两次诺奖的领域很不一样。量子力学最初是为了解释原子、电子等非常微观的粒子行为。2022年，3位科学家正是因为在单光子尺度上验证了量子纠缠现象而获奖。今年的3位得主则是在宏观器件中发现了量子力学隧穿和能量量子化。
在此之前，科学家并不知道能否在宏观的人造器件中观测到量子现象，但他们3人通过设计超导电路系统，成功观测到量子力学效应，颠覆了以往的认知。这个发现为之后超导量子计算的发展奠定了基础，谷歌现在推动的超导量子计算路线正源于此。
李亮：隧穿效应、能级量子化都是量子力学领域非常基本的物理概念，同时又和下一代量子技术密切相关，量子比特、量子计算、量子传感、量子密码等技术都从此概念出发。离开能级的量子化，所有这些量子电路的功能都无法实现。
匿名科学家：在量子力学领域，有一个自然的问题是量子力学在宏观体系中是不是也适用？他们40年前的这项实验，正是从科学角度证明了宏观体系一样遵循量子力学规律。他们在电路中把温度、噪声等干扰降到极低水平，证明了宏观体系中存在相同的量子效应，这直接催生了超导量子计算的发展。总之，一是它有很深的物理思想，就是量子力学的适用范围；二是它促进了超导量子计算的诞生和发展。
不会因为一次诺奖就一定“前景光明”
《中国科学报》：此次获奖会给量子力学及相关领域未来发展带来怎样的影响？我国的布局如何？
匿名科学家：3位开创者虽然开辟了超导量子计算路线，但同时指出了其中的难点——如何把宏观量子体系的噪声、温度等各种干扰因素降到单量子水平，尤其是在达到一定规模后，这背后的科学问题和工程问题极其复杂。所以，我希望大家对量子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)研(yán)发(fā)仍(réng)保(bǎo)持(chí)耐(nài)心(xīn)，这(zhè)个(gè)领(lǐng)域并(bìng)不(bù)会(huì)因(yīn)为(wèi)获(huò)颁(bān)诺(nuò)奖(jiǎng)就(jiù)一(yī)定(dìng)前(qián)景(jǐng)光(guāng)明(míng)、一(yī)帆(fān)风(fēng)顺(shùn)。
上(shàng)海(hǎi)交(jiāo)通(tōng)大(dà)学(xué)物(wù)理(lǐ)与(yǔ)天(tiān)文学(xué)院(yuàn)教(jiào)授(shòu)罗(luō)卫(wèi)东(dōng)：今(jīn)年(nián)的(de)诺(nuò)奖(jiǎng)颁(bān)给(gěi)他(tā)们(men)，主要(yào)是(shì)因(yīn)为(wèi)其(qí)研(yán)究(jiū)的(de)超(chāo)导(dǎo)约(yuē)瑟(sè)夫(fu)森(sēn)结(jié)展(zhǎn)现(xiàn)出(chū)宏(hóng)观(guān)量(liàng)子(zi)性(xìng)质(zhì)，包(bāo)括(kuò)量(liàng)子(zi)隧(suì)穿(chuān)和(hé)量(liàng)子(zi)化(huà)能(néng)级(jí)。这(zhè)是(shì)我(wǒ)们(men)发(fā)展(zhǎn)下(xià)一(yī)代(dài)量(liàng)子(zi)技(jì)术(shù)的(de)基(jī)础(chǔ)，我(wǒ)认(rèn)为(wèi)这(zhè)是(shì)建(jiàn)造(zào)未(wèi)来(lái)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)最(zuì)重(zhòng)要(yào)的(de)技(jì)术(shù)路线(xiàn)，对(duì)我(wǒ)国(guó)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)发(fā)展(zhǎn)具(jù)有(yǒu)鼓(gǔ)励(lì)和(hé)推(tuī)动(dòng)作(zuò)用(yòng)。
李(li)晓(xiǎo)鹏(péng)：目(mù)前(qián)，量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)开(kāi)始(shǐ)从(cóng)实(shí)验(yàn)室(shì)走(zǒu)向(xiàng)应(yīng)用(yòng)，我(wǒ)们(men)也(yě)在(zài)关注(zhù)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)是(shì)否(fǒu)可(kě)以(yǐ)在(zài)一(yī)些(xiē)有(yǒu)价(jià)值(zhí)的(de)问(wèn)题(tí)上(shàng)展(zhǎn)现(xiàn)出(chū)应(yīng)用(yòng)优(yōu)势(shì)，但(dàn)具(jù)体(tǐ)落(luò)地(de)还(hái)需(xū)要(yào)时(shí)间(jiān)。现(xiàn)在(zài)确(què)实(shí)是(shì)量(liàng)子(zi)科(kē)技(jì)发(fā)展(zhǎn)的(de)大(dà)时(shí)代(dài)，获(huò)得(de)诺(nuò)奖(jiǎng)只(zhǐ)是(shì)一(yī)个(gè)方(fāng)面(miàn)，接(jiē)下(xià)来(lái)肯(kěn)定(dìng)会(huì)引(yǐn)发(fā)社(shè)会(huì)各(gè)界(jiè)越(yuè)来(lái)越(yuè)多(duō)的(de)关注(zhù)，推(tuī)动(dòng)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)从(cóng)基(jī)础(chǔ)科(kē)学(xué)向(xiàng)应(yīng)用(yòng)发(fā)展(zhǎn)。
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荣(róng)誉(yù)不只归于“大佬”
《中国科学报》：你跟几位获奖者是否有过交集？他们给你什么样的印象？
罗卫东：最年长的是克拉克，他一直在美国加州大学伯克利分校任教。20多年前，我在该校物理系读博士时，经常在物理系楼里碰到他。他个人特征挺明显的，一个笑眯眯的高个子老头(tóu)。
匿名科学家：现在美国做量子计算的人中，许多都是克拉克的“徒子徒孙”。克拉克很有大科学家的风范。我记得有次开会，他的学生把他围在中间，热火朝天地讨论量子计算相关问题。
德沃雷特是一个非常执着的人。记得一次在日本开会，他作完报告后我上前请教几个学术问题，他非常严谨，认真地问我问题是什么，然后才条分缕析地答复我。马丁尼斯则是一个非常活跃且思路开阔的人，关于他的“江湖传说”有很多。
郭国平：我们课题组没有与这3位科学家合作过，但早年间在几次会议上遇到过，其中马丁尼斯应该是最知名的。当年打造谷歌量子计算机，他功不可没。马丁尼斯是非常纯粹的科学家，特别专注于技术细节，对技术要求非常高，而且总能一点一点地往前做。
李晓鹏：我在一些会议上和马丁尼斯打过交道，一起喝过酒也聊过天。他是一位典型的美国科学家，对自己的研究非常有热情，也很随和，很愿意和年轻人打成一片，探讨科学问题。
我最近一次见到他是在2018年，我们聊了未来超导量子计算的发展方向。这一年刚好是一个很关键的节点——马丁尼斯领导团队开发了72量子比特的新量子处理器Bristlecone。这项工作使超导量子比特的错误率降到量子纠错的阈值，意味着未来有可能做成超导量子计算机。当时，马丁尼斯对(duì)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)的(de)发(fā)展(zhǎn)表(biǎo)示(shì)了(le)巨(jù)大(dà)的(de)信(xìn)心(xīn)。回(huí)过(guò)头(tóu)来(lái)看(kàn)，超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)发(fā)展(zhǎn)趋(qū)势(shì)和(hé)他(tā)当(dāng)时(shí)的(de)预(yù)测(cè)一(yī)致(zhì)。比(bǐ)如(rú)2024年(nián)12月(yuè)，谷(gǔ)歌(gē)发(fā)布(bù)了(le)最(zuì)新(xīn)量(liàng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)Willow，不(bù)过(guò)那(nà)时(shí)马(mǎ)丁(dīng)尼(ní)斯(sī)已(yǐ)经(jīng)离(lí)开(kāi)谷(gǔ)歌(gē)了(le)。
梁(liáng)文杰(jié)：师(shī)生(shēng)组(zǔ)合(hé)获(huò)诺(nuò)奖(jiǎng)的(de)比(bǐ)较(jiào)少(shǎo)，这(zhè)鼓(gǔ)励(lì)了(le)所(suǒ)有(yǒu)年(nián)轻(qīng)老(lǎo)师(shī)和(hé)学(xué)生(shēng)，荣(róng)誉(yù)并(bìng)不(bù)只(zhǐ)归(guī)于(yú)“大(dà)佬(lǎo)”，他(tā)们(men)3位(wèi)在(zài)该(gāi)成(chéng)果(guǒ)中(zhōng)的(de)贡(gòng)献(xiàn)都(dōu)得(de)到(dào)了(le)认(rèn)可(kě)。
《中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)报(bào)》：此(cǐ)次(cì)诺(nuò)奖(jiǎng)的(de)颁(bān)发(fā)对(duì)我(wǒ)们(men)有(yǒu)何(hé)启(qǐ)发(fā)？
郭(guō)国(guó)平(píng)：作(zuò)为(wèi)从(cóng)业(yè)者(zhě)，只(zhǐ)觉(jué)得(de)肩(jiān)上(shàng)的(de)压(yā)力(lì)更(gèng)大(dà)、担子更重了。
李晓鹏：我认为，国内的量子科技，包括量子计算、量子通信和量子精密测量，已经发展到与国外同样的水平。但也要承认，我国在基础科学创新、人才积累方面，与美国仍有一定差距。
罗卫东：今年的诺奖属于凝聚态物理领域。在凝聚态物理领域做科研的大部分是小团队，一个导师带着几个学生、博士后在干。很多时候，小科研团队开展自由探索型研究，也能够作出很重要的贡献。
梁文杰：我觉得，每位年轻的科研人员要找到“让自己一谈起来两眼发光”的领域，不必在意这个领域是否能得到诺贝尔奖，关键在于你是否感兴趣并且认为这个工作特别重要，值得花一辈子去追求。
