瑞典皇家科學(xué)院10月7日宣布，超導(dǎo)錯(cuò)失將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·克拉克、量計(jì)理學(xué)米歇爾·德沃雷特和約翰·馬丁尼斯，算拿以表彰他們在電路中發(fā)現(xiàn)了宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)和能量量子化。下物學(xué)家向轉(zhuǎn)

今年是獎(jiǎng)日量子力學(xué)理論體系創(chuàng)立100周年，被聯(lián)合國定為“國際量子科技年”，本人這很可能影響了瑞典皇家科學(xué)院的和華授獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域。在人才輩出的人科量子力學(xué)領(lǐng)域，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會為什么選擇了這三位美國加州大學(xué)教授？諾貝記者采訪了復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授李曉鵬、上海交大李政道研究所凝聚態(tài)物理研究部助理研究員應(yīng)江華。爾獎(jiǎng)

瑞典皇家科學(xué)院7日宣布，算拿三名科學(xué)家因在量子力學(xué)領(lǐng)域的下物學(xué)家向轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)獲2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 新華社記者 彭子洋 攝

為超導(dǎo)量子比特奠定基礎(chǔ)

“每個(gè)學(xué)過中學(xué)物理的獎(jiǎng)日人對電路都不會陌生，這屬于經(jīng)典電學(xué)。而如果我們把超導(dǎo)器件做得足夠小，就會發(fā)生經(jīng)典電學(xué)無法解釋的量子效應(yīng)?！睆氖铝孔佑?jì)算研究的李曉鵬教授告訴記者。

1984—1985年，克拉克、德沃雷特和馬丁尼斯利用由超導(dǎo)體構(gòu)成的電路開展了一系列實(shí)驗(yàn)。超導(dǎo)體是一種能夠在無電阻情況下傳導(dǎo)電流的元件。在電路中，超導(dǎo)元件被一層薄薄的非導(dǎo)電材料隔開，這種裝置被稱為“約瑟夫森結(jié)”。通過改進(jìn)和測量電路的各種特性，三位科學(xué)家能夠控制和探索電流通過時(shí)產(chǎn)生的特殊現(xiàn)象。

他們觀測到了能量量子化現(xiàn)象?！霸诮?jīng)典電學(xué)中，能量是連續(xù)的。而在有量子效應(yīng)的電路中，能量是離散的，這就是能量量子化?！崩顣赠i解釋，量子化能級是量子力學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)概念。一個(gè)物理量如果不能連續(xù)變化，只能取一些分立的值，我們就說這個(gè)量是量子化的。好比上臺階，只能上一個(gè)臺階，而不能上半個(gè)。宏觀世界里的物理量似乎都能連續(xù)變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的。如氫原子中電子的能量只能取一個(gè)基本值——-13.6電子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2倍或1/2、1/3。

他們還觀測到了量子隧穿效應(yīng)。這種效應(yīng)指的是電子等微觀粒子能夠穿入或穿越“勢壘”的量子行為，盡管“勢壘”的高度大于粒子的總能量。在經(jīng)典力學(xué)里，這是不可能發(fā)生的事情。而在量子世界中，微觀粒子能突破“不可能翻越的能量墻”，以概率形式“穿墻而過”。

這些重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，為日后科學(xué)家研制出超導(dǎo)量子比特奠定了基礎(chǔ)。超導(dǎo)量子比特，是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的基本計(jì)算單元。目前，全球最高水平的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)是“祖沖之三號”。它由中國科學(xué)院院士潘建偉團(tuán)隊(duì)研制，集成了105個(gè)量子比特，在處理量子隨機(jī)線路采樣問題時(shí)，比最快的超級計(jì)算機(jī)快15個(gè)數(shù)量級。

這是10月7日在瑞典斯德哥爾摩拍攝的2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布現(xiàn)場。 新華社記者 彭子洋 攝

日本和華人科學(xué)家錯(cuò)失諾獎(jiǎng)

諾獎(jiǎng)作為科學(xué)界最高的學(xué)術(shù)榮譽(yù)，向來只獎(jiǎng)“從0到1”的原始創(chuàng)新；但眾所周知，世界上第一個(gè)超導(dǎo)量子比特，出自日本科學(xué)家中村泰信和華人科學(xué)家蔡兆申的合作實(shí)驗(yàn)成果。

因此，此次物理學(xué)獎(jiǎng)一出，令一些業(yè)內(nèi)人士有些意外。應(yīng)江華告訴記者，這次3位獲獎(jiǎng)?wù)?，尤其是最后一位馬丁尼斯，可以說是在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域“從1到99”的進(jìn)程中取得顯著成就。“從實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向工程，從科研轉(zhuǎn)向應(yīng)用，這是不是諾貝爾獎(jiǎng)的‘風(fēng)向’有所改變？”

中村泰信，日本理化學(xué)研究所量子計(jì)算中心。

作為超導(dǎo)量子計(jì)算的基本單位，第一個(gè)超導(dǎo)量子比特于1999年誕生在日本的實(shí)驗(yàn)室里，不過當(dāng)時(shí)也只有1個(gè)量子比特，其壽命只有納秒量級。應(yīng)江華說，“超導(dǎo)量子計(jì)算的天量算力，是隨量子比特?cái)?shù)量增加，呈現(xiàn)指數(shù)級增長的。”然而，特別“燒錢”的量子計(jì)算，不能停留在實(shí)驗(yàn)室。

在此基礎(chǔ)上，馬丁尼斯這位工程化的“推手”，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與谷歌公司合作，做出超過50個(gè)超導(dǎo)量子比特，首次驗(yàn)證了超導(dǎo)量子計(jì)算的“量子優(yōu)越性”，從實(shí)驗(yàn)層面證實(shí)了超導(dǎo)量子計(jì)算在特定問題上具備經(jīng)典計(jì)算無法企及的算力優(yōu)勢。盡管馬丁尼斯后續(xù)從谷歌離職，但始終深耕量子計(jì)算領(lǐng)域，且更注重技術(shù)商業(yè)化轉(zhuǎn)化。這表明，諾獎(jiǎng)開始更多關(guān)注那些在實(shí)際科學(xué)成果轉(zhuǎn)化、技術(shù)應(yīng)用落地中發(fā)揮核心作用的研究者。

米歇爾·H·德沃雷，美國耶魯大學(xué)、美國加利福尼亞大學(xué)。

至于第二位獲獎(jiǎng)?wù)叩挛掷滋兀浜诵呢暙I(xiàn)正契合諾貝爾委員會的頒獎(jiǎng)詞——“因在超導(dǎo)電路中發(fā)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)與能量量子化現(xiàn)象”，這一發(fā)現(xiàn)為固態(tài)量子信息科學(xué)奠定了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

這為解決超導(dǎo)量子比特的核心瓶頸——相干時(shí)間（即量子比特“存儲量子信息的壽命”）提供了關(guān)鍵技術(shù)路徑?？破盏刂v，正因?yàn)橛兴?，量子比特的“壽命”從轉(zhuǎn)瞬即逝的納秒級別，提升到毫秒級別。利用量子電動(dòng)力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)對量子比特量子態(tài)的高效操控、高保真度讀取與低噪聲隔離，成為當(dāng)前主流超導(dǎo)量子計(jì)算平臺（如 IBM、谷歌量子處理器、祖沖之號等）的技術(shù)基石。

約翰·克拉克，美國加利福尼亞大學(xué)。

應(yīng)江華說，“作為今年物理學(xué)獎(jiǎng)的第一位得主，克拉克是德沃雷特和馬丁尼斯的導(dǎo)師，相關(guān)的宏觀量子效應(yīng)和電路量子化等研究為超導(dǎo)量子計(jì)算鋪平了道路?！笨死嗽诔瑢?dǎo)和超導(dǎo)電子學(xué)方面作出了重大貢獻(xiàn)，特別是在超導(dǎo)量子干涉裝置，即一種超靈敏的磁通量探測器的開發(fā)和應(yīng)用方面。這同樣表明，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)高度重視科學(xué)成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。

值得一提的是，由中國企業(yè)家捐資億元設(shè)立的2021年度“墨子量子獎(jiǎng)”曾授予3位科學(xué)家，以表彰他們在開創(chuàng)超導(dǎo)量子電路和量子比特方面的領(lǐng)導(dǎo)作用，分別是克拉克、德沃雷特、中村泰信。這一次，前兩位科學(xué)家均獲諾獎(jiǎng)，唯獨(dú)中村泰信與之錯(cuò)失。

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