梁校聊物理 · 诺贝尔物理学奖2025
文 / 梁校
把一个球放在坑里。能量不够，它就越不过坑边。再等一会儿，通常也不会凭空出现在外面。
量子系统却可能穿过一个按经典规律无法越过的势垒。这叫隧穿。问题是：电子能这样，一整套人工制造的电路也能这样吗？
2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷与约翰·马丁尼斯。他们在电路中发现了宏观量子隧穿与能量量子化。关键实验完成于1984和1985年，地点在加州大学伯克利分校。[1]
克拉克、德沃雷、马丁尼斯（从左至右）。照片依次来自加州大学伯克利分校、耶鲁大学、Rocco Ceselin / Nature；图源：Physics Today。[2]
约瑟夫森结与集体状态的有效势能示意，横轴是相位差。
很薄的一层隔断
超导体在合适条件下可以无电阻地传导电流。许多电子配对，并形成具有共同量子相位的凝聚态。
如果在两块超导体之间夹一层很薄的绝缘材料，事情就有意思了。虽然中间有一道隔断，库珀对仍能通过量子隧穿，让两侧保持相位耦合。在一定范围内，这个结能在没有电压的情况下传导电流。
这是约瑟夫森效应，约瑟夫森本人已因相关理论获得1973年诺贝尔物理学奖。[3]
2025年获奖工作追问的是更进一步的事：电路的集体状态本身，能否显示量子隧穿与分立能级？
描述这个系统，可以使用两侧超导体的相位差。这个量涉及许多粒子的共同状态，却能像一个量子力学中的运动变量那样被研究。
电压忽然出现
在适当的电流偏置下，相位差对应的有效势能像一条倾斜的搓衣板，有一连串凹槽与坡坎。
系统先待在一个凹槽里，对应无电压状态。如果它越出势垒，运行到另一种状态，电路就出现电压。研究人员于是可以用电压变化，判断集体状态什么时候逃出了原来的凹槽。
这里的“穿墙”发生在有效势能描述中。没有一块电路板穿过实验室墙壁，也不是把一群普通电子当成小弹珠同时撞出去。
可电压跳变本身，还不足以证明量子隧穿。
温度高一点，热涨落也可能帮助系统翻过坡坎；外部噪声如果偷偷送来能量，同样可以制造逃逸。实验必须排查这些解释。[4]
先查是不是噪声
降低温度，可以压低热激活逃逸。在低温下，如果逃逸行为仍与量子隧穿的预测相符，就出现了重要线索。
但“降温后还有信号”，依然不是终点。温度计很冷，不代表每一段导线、每一种电磁噪声都冷。暖处传来的微波，就可能把实验骗过去。
团队必须控制环境、滤掉噪声，并独立测量电路参数，让理论预测与实验结果能够严格比较。原本听起来像哲学争论的“宏观世界是否遵守量子规律”，最后落实成了屏蔽、制冷、校准和大量重复测量。[4]
实验里最好看的部分，有时正是这些不显眼的工作。先把所有“也许只是……”查清，剩下的结果才有分量。
能量是一格一格的
团队还用微波研究电路的能级。
量子系统的能量只能取特定的值。微波光子的能量与某个能级差相匹配时，就能激发相应的跃迁。研究人员扫描微波频率，结合电路状态的逃逸行为，探查这些能级差。
这就像一个只能停在特定台阶上的系统。微波光子的能量与频率成正比，调节频率，可以探查台阶之间相差多少。
经典电路也会共振，不能只看到一个共振峰，就宣布发现量子化。关键在于测量结果是否符合电路集体状态具有分立能级的量子预测，并与独立测得的参数一致。
隧穿和能级测量放在一起，说明人工电路的集体变量能够表现出可检验的量子行为。后来，超导量子比特等技术沿着这条路发展起来。[5]
量子效应并没有一条简单的尺寸分界线。一旦系统与环境强烈耦合，热扰动和退相干就会掩盖我们想测的行为。把电路设计好、隔离好、冷却好，才能让这种集体量子状态显露出来。
一个可以拿在手中的器件里，物理学家测到了分立的能量与隧穿。接下来，他们便能尝试用工程方法制造、操纵这些状态。
2025年诺贝尔物理学奖获奖结果公布现场。图片：瑞典皇家科学院；摄影：Patrik Lundin。[1]
参考来源
- 获奖公告 https://www.kva.se/en/news/the-nobel-prize-in-physics-2025/
- 图片来源 https://physicstoday.aip.org/news/clarke-devoret-and-martinis-share-2025-nobel-prize-in-physics
- 约瑟夫森获奖工作 https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1973/josephson/facts/
- 2025年科学背景 https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/advanced-physicsprize2025.pdf
- 伯克利实验室：克拉克的获奖工作 https://newscenter.lbl.gov/2025/10/07/former-berkeley-lab-scientist-john-clarke-wins-2025-nobel-prize-in-physics/
