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◎ 本報特約作者 金賢敏，上海交通大學教授，上海交通大學集成量子信息技術研究中心（IQIT）主任，無錫光子芯片研究院（CHIPX）院長，圖靈量子（TuringQ）創始人      

北京時間10月7日下午，瑞典皇家科學院宣布將2025年諾貝爾物理學獎授予約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯3位科學家，以表彰他們在電路中發現了宏觀量子隧穿和能量量子化現象。    

此前，諾貝爾物理學獎于2012年授予解決觀察個體量子系統挑戰的量子測量，2022年授予解決量子信息傳輸與處理的光量子糾纏，而本次則聚焦于可擴展人造系統的宏觀量子效應。

長久以來，物理學界一直存在一個根本問題：量子力學的規律能否在宏觀尺度顯現？本次獲獎者的突破性發現回答了這個問題，不僅深化了人類對量子世界的理解，更將量子現象從微觀觀測領域帶入可操控的宏觀工程系統，使人類對量子的操控完成了從原理驗證到工程實現的關鍵跨越，為量子計算技術革命鋪平了道路，掀開了人類未來擁有無限算力的新篇章。

宏觀量子效應突破人類認知邊界

經典物理世界是宏觀的，物體運動是連續的，相應的能量也是連續的。例如，當我們將一個球扔向墻壁，可以直接看到球會彈回，絕不會穿墻而過。然而在量子世界，能量是量子化的，只能一份份吸收或釋放，粒子可以直接穿過障礙物，這就是量子隧穿效應。

過去，量子隧穿效應被認為只存在于微觀的原子或粒子世界。一旦到了由大量粒子組成的宏觀尺度，這些量子效應就會消失，物體表現出符合人們日常經驗的經典物理行為。

而這次獲獎成果的核心價值在于打破了傳統認知的邊界：獲獎者通過精巧的實驗證明，這種量子隧穿效應不僅存在于微觀世界，同樣可出現在一個人手可握、包含數十億粒子的宏觀電路中。

他們構建了一個由超導材料制成的電路，中間以極薄絕緣層隔開，形成所謂的“約瑟夫森結”。在接近絕對零度的極低溫條件下，超導體中的電子會結合成“庫珀對”，這些庫珀對協同運動，使整個系統表現得像一個單一的量子粒子，即宏觀系統可作為整體發生量子隧穿，呈現出與微觀粒子完全相同的量子特性。更重要的是，它將量子效應從一個只能被動觀察的神奇現象，變成了一個可以通過導線連接、測量和控制的工程化系統，為量子技術的實際應用奠定了關鍵的物理基礎。

人類量子操控能力厚積薄發

1928年，物理學家喬治·伽莫夫發現量子隧穿是某些原子核衰變的原因。20世紀70年代，超導理論（BCS理論）和約瑟夫森結的提出為宏觀量子現象提供了理論可能。

20世紀80年代中期，在美國加州大學伯克利分校，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯團隊針對宏觀量子現象進行鉆研，他們面臨的最大挑戰是如何在嘈雜環境中捕捉脆弱的量子效應：任何微小的熱擾動或電磁噪聲都會破壞脆弱的量子態，使得宏觀量子效應無法被觀測到。通過精巧的實驗設計和嚴格的電磁屏蔽，他們最終在1984-1985年完成了這一里程碑實驗：向系統注入微波時，他們發現它只吸收特定能量的微波，從而從一個能級“跳”到更高能級，使實驗系統從零電壓狀態躍遷到有電壓狀態，證明了這個宏觀系統的能量是量子化的。

理論物理學家安東尼·萊格特將他們的宏觀量子系統與著名的“薛定諤的貓”思想實驗相比較。在該思想實驗中，貓處于“既死又活”的疊加態，而獲獎者的實驗在某種程度上將這一思想實驗變為現實，盡管其系統比一只貓小得多，但測量的是整個系統的量子性質。

這項研究最直接的影響在于為量子計算技術奠定了基礎。獲獎者之一約翰·M·馬蒂尼斯后來成為谷歌量子人工智能團隊的負責人，在量子計算領域取得了重大突破，在隨機線路采樣任務中200秒完成經典計算機需1萬年的運算，全球首次宣稱實現“量子計算優越性”。

百年量子世界的回響

這項基礎科學突破為未來高新技術產業帶來了廣闊前景，推動了量子計算技術從實驗室走向實際應用，其影響不亞于核聚變技術對人類社會的改變。

量子計算的量子比特數每增加一個，算力將翻倍，一旦突破49個量子比特，算力可超過最強大的經典計算機，其顛覆性能力將為人類擁有無限算力帶來可能。中國科學技術大學潘建偉團隊已成功研制出“九章三號”和“祖沖之三號”量子計算原型機，并成功越過“量子計算優越性”；上海交通大學金賢敏團隊已制備出世界最大規模三維光量子計算芯片，并完成了56個光子的“量子計算優越性”演示；上海交大無錫光子芯片研究院（CHIPX）已建成啟用了自主可控的國內首條光子芯片中試線，在全球量子科技競爭中占據了身位優勢；量子計算龍頭企業圖靈量子已推出全球首款商用科研級光量子計算機。這些成果使我國成為世界上唯一在超導量子和光量子兩條技術路線上均實現“量子計算優越性”的國家。量子計算在藥物研發、材料科學、金融科技和人工智能等領域的潛在應用，將為全人類的高新技術產業發展乃至社會文明帶來顛覆性變革。

正如諾貝爾物理學獎委員會主席奧勒·埃里克松所言：“量子力學是所有數字技術的基礎。”各國政府和科技巨頭紛紛加大投入，谷歌、IBM、微軟等公司競相開發量子計算平臺，PsiQuantum等創業公司不斷涌現，發展迅猛。量子科技的發展正迎來百年一遇的契機，但最終全球玩家誰能問鼎，關鍵在于持續的科研投入、中試量產能力建設和優勢場景的應用落地。

2025年是量子力學誕生100周年，也是聯合國教科文組織確定的“國際量子科學與技術年”。從2012年獲獎的基于中性原子和離子阱的量子測量，到2022年獲獎的光量子糾纏驗證，再到今年獲獎的超導宏觀量子電路，一條清晰的產業路徑正在展開，并已發展成為當下量子計算的主流路徑。我們有理由相信，宏觀量子現象的發現將成為人類掌控量子力量的關鍵一步，量子科技有望在未來10年內，像今天的人工智能一樣，成為重塑全球經濟格局的核心驅動力，為無限算力的人類文明新紀元奠定堅實基礎。

（本文編輯：朱廣清）