今年的諾貝爾物理學(xué)獎授予英國科學(xué)家約翰·克拉克（John Clarke）、法國科學(xué)家米歇爾·德沃雷特（Michel Devoret）和美國科學(xué)家約翰·馬丁尼斯（John Martinis），以表彰他們發(fā)現(xiàn)了電路中的宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)和能量量子化。

約翰·克拉克     米歇爾·德沃雷特     約翰·馬丁尼斯

量子隧穿與能量量子化

日常生活中，一個皮球砸到墻面上會反彈回去；但在量子世界里，電子或電子對等微觀粒子，撞到一堵看起來不可逾越的勢壘墻時，卻有一定概率出現(xiàn)在墻的另一側(cè)。這被稱為“量子隧穿”。

同時，我們所處的宏觀世界里，能量、溫度等物理量通?？雌饋硎强蛇B續(xù)變化的；但走進量子世界，系統(tǒng)的能量卻像是電梯一樣，只能停在某個樓層而不能停在樓層中間。普朗克（Max Planck）在1900年通過黑體輻射發(fā)現(xiàn)：能量按頻率成比例地分成一個個最小單位，這種現(xiàn)象被稱為“能量量子化”。

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傳統(tǒng)意義上講，這兩種現(xiàn)象都發(fā)生在原子這樣的微小尺度，且要求極低溫環(huán)境，以達到低熱噪聲的條件。但是今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲獎研究，卻將這兩種現(xiàn)象在宏觀微米（10-6米）量級的尺度上實現(xiàn)，為人們創(chuàng)造宏觀量子系統(tǒng)和探究量子現(xiàn)象指明了道路。

用宏觀電路人造量子：超導(dǎo)與約瑟夫森結(jié)

1911年，昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次發(fā)現(xiàn)，當金屬汞在4.2K（-268.95℃）時出現(xiàn)了電阻消失的現(xiàn)象，稱為“超導(dǎo)”。不過當時并不理解這種零電阻現(xiàn)象背后的物理原理。昂內(nèi)斯主要因為對低溫物理學(xué)的貢獻，獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。

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隨后幾十年間，量子力學(xué)的理論蓬勃發(fā)展，人們逐漸認識到：微觀粒子的行為嚴格遵循量子力學(xué)的基本原理，波粒二象性、量子態(tài)疊加、概率性測量等并非抽象的數(shù)學(xué)假設(shè)，而是經(jīng)過無數(shù)實驗驗證的微觀世界本質(zhì)規(guī)律，比如電子可以處于多個位置的疊加態(tài)。

1957年，巴?。↗ohn Bardeen）、庫珀（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）三人，首次通過量子力學(xué)原理，從微觀上揭開了超導(dǎo)這一宏觀量子現(xiàn)象的奧秘：電子配對后的有序與活動。他們提出的BCS理論，把超導(dǎo)態(tài)描述為大量電子兩兩配對為“庫珀對”并形成特殊的“凝聚態(tài)”，就像成千上萬對伴侶按同一節(jié)奏手拉手排列在舞池上，因此可以用一個統(tǒng)一的“宏觀波函數(shù)”來描述，使得電流能夠無阻力地流動。正因這項工作，三位科學(xué)家獲得了1972年的諾貝爾物理學(xué)獎。

利用超導(dǎo)的宏觀量子現(xiàn)象，1962年，約瑟夫森（Brian David Josephson）提出了一種特殊的結(jié)構(gòu)：超導(dǎo)層-薄絕緣層-超導(dǎo)層（下圖），稱為“約瑟夫森結(jié)”。無阻流動的庫珀對以一定概率無損耗地跨過絕緣層流動到了對面的超導(dǎo)層，產(chǎn)生隧穿電流。約瑟夫森也因此構(gòu)想，獲得1973年的諾貝爾物理學(xué)獎。

約瑟夫森結(jié)電路及隧穿電流的示意圖，庫珀對（藍色）從超導(dǎo)的一側(cè)隧穿過薄絕緣層流動到超導(dǎo)的另一側(cè)

幾十年的理論與實驗進展，把“超導(dǎo)”“庫珀對”“約瑟夫森結(jié)”變成了真實的器件：實驗室里可以制造出直徑僅幾微米的約瑟夫森結(jié)，在極低溫的幾十mK（低于-273.1℃）下觀測到穩(wěn)定的隧穿電流和微波響應(yīng)。這意味著我們可以制造這種特殊的電路，把量子物理現(xiàn)象從微觀帶到宏觀電路中去。

1985年，當時的克拉克教授與其帶領(lǐng)的博士后德沃雷特和博士生馬丁尼斯，在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表了兩篇論文。他們在實驗上測量到了約瑟夫森結(jié)中的隧穿電流以及包含10億個以上庫珀對的超導(dǎo)電路系統(tǒng)的分立量子化能級。

在第一篇論文的工作中，研究者在電流偏置、零電壓態(tài)的約瑟夫森結(jié)上施加微波，掃描微波頻率并監(jiān)測響應(yīng)，如吸收增強等變化。結(jié)果僅在若干離散頻率出現(xiàn)明顯吸收峰，證明其能級的分立與能量的量子化。電路像只能對特定“舞曲”響應(yīng)的舞團，雖然電路里有非常多“舞者”（庫珀對），但它們只能“跳同一支舞”。吸收譜線就像是樓梯臺階，說明電路的能量是一級一級的，而不是任意連續(xù)的。這也是實驗上第一次觀測到宏觀系統(tǒng)的能量量子化。

在第二篇的工作中，研究者通過測量電壓變化，觀測到約瑟夫森結(jié)在低溫區(qū)（30mK左右）的逃逸率有明顯的階躍和平臺，而在高溫區(qū)（100至800mK）仍遵循經(jīng)典的指數(shù)律。逃逸可以這樣理解，把電路比作小球在碗里，科學(xué)家們通過觀測宏觀信號（電壓）去探究小球們（庫珀對）怎樣離開碗（勢阱墻）。當環(huán)境比較暖時，小球靠“熱氣”一點點吹起飛出碗；但當環(huán)境非常冷時，小球反而可能“穿墻”直接出現(xiàn)在碗外面。在高溫區(qū)，庫珀對離開的概率會隨溫度升高而變大，符合經(jīng)典預(yù)期；但在極低溫時，這個概率不再受溫度影響，出現(xiàn)平臺化的表現(xiàn)。這個現(xiàn)象證明，即使宏觀，只要足夠冷，系統(tǒng)也能以量子的方式“穿越障礙”。

兩個實驗共同的關(guān)鍵條件是低溫：低溫讓電路處在超導(dǎo)態(tài)，使原子晶格變得安靜有序，晶格扮演一個牽線搭橋的“月老”，讓平時到處碰撞和亂逛的單電子相互結(jié)對，并且運動行為高度一致，從而能被一個“宏觀波函數(shù)”像指揮合唱隊一樣統(tǒng)一描述，遵循量子力學(xué)原理。正是靠這種“宏觀量子一致性”，他們才觀測到了神奇現(xiàn)象。這一創(chuàng)新的結(jié)果也在后續(xù)被用于構(gòu)建低溫宏觀量子電路，也就是所謂的超導(dǎo)量子比特。此次諾貝爾物理學(xué)獎也因此頒給了這三位科學(xué)家。

至此，科學(xué)家們向我們證明，量子隧穿不是魔術(shù)，而是量子世界中“粒子同調(diào)的波動性”帶來的必然結(jié)果：波可以“滲透”進看起來不可逾越的障礙。而約瑟夫森結(jié)展示了一個微觀下大量庫珀對在宏觀的兩塊超導(dǎo)體之間隧穿的結(jié)構(gòu)，這讓量子特性可以在宏觀被觀測到。而由約瑟夫森結(jié)構(gòu)建的電路，其能級會出現(xiàn)離散分立，僅對特殊頻率的微波有響應(yīng)，從而使得宏觀電路像原子一樣具有“樓層式”的能級結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)能量量子化。

超導(dǎo)量子比特：應(yīng)用與前沿

1999年，日本物理學(xué)家中村泰信和華人物理學(xué)家蔡兆申通過使用約瑟夫森結(jié)和電容串聯(lián)，構(gòu)建了“單庫珀對盒”，首次觀測到宏觀量子態(tài)的相干演化：量子振蕩。這種振蕩可以被理解為比特，只不過不是只有高低電平代表的0和1，而是可控地在量子的|0>和|1>態(tài)中間振蕩，產(chǎn)生疊加。

中國科學(xué)院物理研究所研制的 “莊子2.0”超導(dǎo)量子芯片，集成78個排成二維陣列的Transmon比特（6×13）

2007年，耶魯大學(xué)德沃雷特研究團隊的科赫（Jens Koch）等人設(shè)計出了Transmon比特：約瑟夫森結(jié)并聯(lián)大電容，在合適參數(shù)取值下，可以使得比特對電荷等噪聲免疫。Transmon在技術(shù)工藝成熟之后，進入了大規(guī)?；蜋C階段：2019年，以今年獲獎的馬丁尼斯為首的谷歌（Google）團隊公布了基于53個超導(dǎo)比特的懸鈴木（Sycamore）處理器，并在“隨機線路采樣”任務(wù)上首次展示了“量子計算優(yōu)越性”。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊也于2021年實現(xiàn)了超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)隨機線路采樣的“量子計算優(yōu)越性”。

近些年，宏觀量子電路從基礎(chǔ)探索迅速發(fā)展為可編程的量子計算與模擬平臺。在量子計算方面，科學(xué)家們探索并實驗實現(xiàn)了類似于經(jīng)典計算與門、非門等的量子邏輯門。使用這些單雙比特門就可以實現(xiàn)對任意量子模型的構(gòu)建，也為邁向通用量子計算奠定了基礎(chǔ)。在量子模擬方面，超導(dǎo)處理器被用來模擬多體動力學(xué)、凝聚態(tài)等問題，能在可控參數(shù)下探索經(jīng)典難以處理的復(fù)雜物理。中國科學(xué)家在這條路上也貢獻顯著：中國科學(xué)院物理研究所利用自主研發(fā)的78比特“莊子2.0”超導(dǎo)量子芯片實現(xiàn)了多體系統(tǒng)預(yù)熱化的量子模擬；浙江大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等在多體局域化、凝聚態(tài)物性模擬上也有多項高影響力的工作。中國在大尺度集成與系統(tǒng)工程上持續(xù)推進，成為國際宏觀量子電路研究的重要力量。

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第11期，文章內(nèi)容略有刪改。

撰文 | 李天銘 許凱 范桁（中國科學(xué)院物理研究所）