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內容摘要：◎ 科技日報記者 張夢(mèng)然2025年是量子力學(xué)誕生一百周年。量子力學(xué)描述的是什么？是在單個(gè)粒子尺度上才“顯現”的物理特性。在量子物理學(xué)中，這些現象比光學(xué)顯微鏡所能觀(guān)測到的還要小得多，它們被稱(chēng)為“微觀(guān)”現

◎ 科技日報記者 張夢(mèng)然

2025年是人類(lèi)量子力學(xué)誕生一百周年。量子力學(xué)描述的尺度揭是什么？是在單個(gè)粒子尺度上才“顯現”的物理特性。在量子物理學(xué)中，示量這些現象比光學(xué)顯微鏡所能觀(guān)測到的特性還要小得多，它們被稱(chēng)為“微觀(guān)”現象。解讀

這與由大量粒子構成的年諾“宏觀(guān)”現象形成對比。例如，物理一個(gè)日常生活中常見(jiàn)的學(xué)獎球，由分子組成來(lái)描述的人類(lèi)話(huà)就是天文數字級別的，它不會(huì )表現出任何量子力學(xué)效應。尺度揭人們都知道，示量每次把球扔向墻壁，特性它都會(huì )反彈回來(lái)。解讀然而，年諾一個(gè)單獨的物理粒子在其微觀(guān)世界中，有時(shí)卻能直接穿過(guò)類(lèi)似墻的障礙，出現在“墻”的另一側。這種量子力學(xué)現象被稱(chēng)為“隧穿”。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎，表彰了那些在宏觀(guān)尺度上、涉及大量粒子的情況下，成功觀(guān)測到量子隧穿現象的實(shí)驗。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯三位科學(xué)家在美國加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行的一系列實(shí)驗，構建了一個(gè)包含兩個(gè)超導體的電路。超導體是能夠以零電阻傳導電流的材料，這兩個(gè)超導體之間由一層完全不導電的薄材料隔開(kāi)。但在實(shí)驗中，他們證明了可以控制并研究一種現象：超導體中的所有帶電粒子協(xié)同運動(dòng)，表現得就像一個(gè)單一的粒子，充滿(mǎn)整個(gè)電路。

這種類(lèi)粒子系統被束縛在一個(gè)有電流流動(dòng)但沒(méi)有電壓的狀態(tài)中。在實(shí)驗中，該系統通過(guò)量子隧穿效應展現出了量子特性：從零電壓狀態(tài)中逃逸出來(lái)，并產(chǎn)生一個(gè)電勢差（電壓）。

與此同時(shí)，今年的三位獲獎?wù)哌€證明了這一系統的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量吸收或釋放能量。

什么是隧穿？

為了開(kāi)展研究，三位獲獎?wù)呓柚藬凳陙?lái)發(fā)展起來(lái)的理論概念和實(shí)驗工具。

我們知道，量子物理與相對論共同構成了所謂“現代物理學(xué)”的基礎。過(guò)去一個(gè)世紀以來(lái)，無(wú)數科研人員一直在探索其深遠含義。

單個(gè)粒子發(fā)生隧穿的現象，其實(shí)早已為人所知。1928年，物理學(xué)家喬治·伽莫夫意識到，正是隧穿效應導致某些重原子核以特定方式發(fā)生衰變。原子核內部各種力的相互作用在其周?chē)纬闪艘坏绖輭?，將內部粒子束縛其中。然而，盡管存在這道勢壘，原子核的一小部分仍有時(shí)能分裂出來(lái)，穿過(guò)勢壘逃逸出去，從而使原來(lái)的原子核轉變?yōu)榱硪环N元素。如果沒(méi)有隧穿效應，這類(lèi)核衰變就不可能發(fā)生。

隧穿是一種量子力學(xué)過(guò)程，其中包含著(zhù)隨機性。某些類(lèi)型的原子核具有又高又寬的勢壘，因此其粒子需要很長(cháng)時(shí)間才能出現在勢壘之外；而另一些類(lèi)型的原子核則更容易發(fā)生衰變。如果人們只觀(guān)察單個(gè)原子，那無(wú)法預測隧穿何時(shí)會(huì )發(fā)生；但通過(guò)觀(guān)測大量同種原子核的衰變行為，可以測量出隧穿發(fā)生的平均時(shí)間。描述這一現象最常見(jiàn)的方法是“半衰期”概念，即樣品中一半原子核發(fā)生衰變所需的時(shí)間。

一個(gè)被勢壘束縛的量子力學(xué)系統可以具有不同的能量，但它只能吸收或釋放特定數量的能量。這種特性稱(chēng)為量子化。在較高能級時(shí)，隧穿更容易發(fā)生。

物理學(xué)家很快開(kāi)始思考：是否有可能研究一種涉及多個(gè)粒子同時(shí)參與的隧穿現象？探索新型實(shí)驗的一個(gè)方向，源自某些材料在極低溫下出現的特殊現象。

在普通導電材料中，電流的產(chǎn)生是由于存在可在整個(gè)材料中自由移動(dòng)的電子。在某些材料中，穿過(guò)導體的獨立電子會(huì )變得有序，形成一種協(xié)調一致的“舞蹈”，毫無(wú)阻力地流動(dòng)。此時(shí)材料就變成了超導體，而電子則兩兩結合成對。這種電子對被稱(chēng)為“庫珀對”，以萊昂·庫珀命名。他與約翰·巴丁和羅伯特·施里弗共同詳細描述了超導體的工作機制（三人因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎）。

庫珀對的行為與普通電子完全不同。電子具有很強的“個(gè)體性”，傾向于彼此保持距離——兩個(gè)具有相同性質(zhì)的電子不可能處于同一狀態(tài)。這一點(diǎn)在原子中可以明顯看到，例如電子分布在不同的能級（即電子殼層）上。然而，當超導體中的電子結成對后，它們的部分個(gè)體性就消失了；雖然兩個(gè)獨立的電子總是可區分的，但兩個(gè)庫珀對卻可以完全相同。這意味著(zhù)超導體中的所有庫珀對可以被描述為一個(gè)整體，一個(gè)統一的量子力學(xué)系統。用量子力學(xué)的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，它們具有一個(gè)共同的波函數。這個(gè)波函數描述了在給定狀態(tài)下觀(guān)測到該系統的概率及其具有的特定性質(zhì)。

科學(xué)家們的起步

這些課題恰好契合約翰·克拉克的研究。他當時(shí)是美國加州大學(xué)伯克利分校的教授，此前于1968年在英國劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位后移居美國。在伯克利，他組建了自己的研究團隊，專(zhuān)注于利用超導體和約瑟夫森結來(lái)探索多種物理現象。

到20世紀80年代中期，米歇爾·H·德沃雷特在巴黎獲得博士學(xué)位后，作為博士后加入了約翰·克拉克的研究團隊。該團隊還包括博士生約翰·M·馬丁尼斯。他們三人共同承擔起證明“宏觀(guān)量子隧穿”的挑戰。實(shí)驗裝置必須極其精細，并采取大量措施屏蔽外界干擾。他們成功地優(yōu)化并精確測量了電路的所有特性，從而能夠深入理解該系統的運行機制。

為了測量量子現象，他們向約瑟夫森結注入一個(gè)微弱的電流，并測量電壓（電壓與電路中的電阻相關(guān)）。最初，約瑟夫森結兩端的電壓為零，這符合預期，因為系統的波函數被限制在一個(gè)不會(huì )產(chǎn)生電壓的狀態(tài)中。接著(zhù)，他們研究了系統從該狀態(tài)隧穿出去所需的時(shí)間，一旦發(fā)生隧穿，就會(huì )出現電壓。由于量子力學(xué)本質(zhì)上具有隨機性，他們進(jìn)行了大量重復測量，并將結果繪制成圖，從中讀取零電壓狀態(tài)的持續時(shí)間。這種方法類(lèi)似于通過(guò)大量衰變事件的統計來(lái)測量原子核的半衰期。

三位科學(xué)家構建了一個(gè)使用超導電路的實(shí)驗裝置。承載該電路的芯片尺寸約為一厘米。此前，隧穿效應和能量量子化主要在僅含少數粒子的系統中被研究；而在此實(shí)驗中，這些量子現象出現在一個(gè)包含數十億個(gè)庫珀對的宏觀(guān)量子系統中，這些庫珀對遍布整個(gè)芯片上的超導體。因此，這項實(shí)驗將量子效應從微觀(guān)尺度推進(jìn)到了宏觀(guān)尺度。

這種隧穿現象表明，實(shí)驗中那些協(xié)調運動(dòng)的庫珀對，表現得就像一個(gè)巨大的單一粒子。當科學(xué)家們進(jìn)一步觀(guān)察到系統具有分立的、量子化的能級時(shí)，這一結論得到了進(jìn)一步證實(shí)。

量子力學(xué)之所以得名，正是源于人們發(fā)現微觀(guān)過(guò)程中的能量，是以離散的“包”（即量子）形式存在的。今年的三位獲獎?wù)呦蛄汶妷籂顟B(tài)引入了不同波長(cháng)的微波，發(fā)現其中某些頻率的微波被系統吸收，導致系統躍遷到更高的能級。這表明：當系統能量更高時(shí)，零電壓狀態(tài)的持續時(shí)間更短——這正是量子力學(xué)所預測的結果。

理論與實(shí)踐意義

這項實(shí)驗對理解量子力學(xué)具有深遠影響。以往在宏觀(guān)尺度上展示的量子效應，通常是由大量微小單元各自獨立的量子性質(zhì)疊加而成。這些微觀(guān)組分共同導致宏觀(guān)現象，例如激光、超導體和超流體。然而，這一實(shí)驗卻不同：它從一個(gè)本身就具有宏觀(guān)性的狀態(tài)，即大量粒子共享的統一波函數產(chǎn)生了一個(gè)宏觀(guān)效應——可測量的電壓。

理論物理學(xué)家安東尼·萊格特曾將獲獎?wù)叩暮暧^(guān)量子系統，與著(zhù)名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗相比較。在該思想實(shí)驗中，如果不去觀(guān)察，貓就同時(shí)處于“活著(zhù)”和“死亡”的疊加態(tài)（薛定諤因此獲得1933年諾貝爾物理學(xué)獎）。這個(gè)思想實(shí)驗的初衷是揭示這種狀態(tài)的荒謬性，因為在宏觀(guān)尺度上，量子力學(xué)的特殊性質(zhì)通常會(huì )被抹去。人們無(wú)法在實(shí)驗室中真正展示一只貓的量子疊加態(tài)。

然而，萊格特認為，今年三位獲獎?wù)咚M(jìn)行的一系列實(shí)驗表明，確實(shí)存在一些現象，其中大量粒子共同表現出量子力學(xué)所預測的行為。盡管由眾多庫珀對構成的這個(gè)宏觀(guān)系統在尺寸上仍比一只小貓小好幾個(gè)數量級，但由于實(shí)驗測量的是整個(gè)系統的整體量子特性，因此在量子物理學(xué)家看來(lái)，它與薛定諤那只假想中的貓在本質(zhì)上是相當類(lèi)似的。

這類(lèi)宏觀(guān)量子態(tài)，為人們利用微觀(guān)粒子世界規律進(jìn)行新實(shí)驗提供了新的可能。它可以被視為一種“大型人工原子”——一個(gè)帶有電纜和接口的人工原子，可以連接到新的測試裝置中，或用于開(kāi)發(fā)新型量子技術(shù)。例如，這類(lèi)人工原子可用于模擬其他量子系統，幫助人們理解它們的性質(zhì)。

另一個(gè)實(shí)用例子，則是馬丁尼斯后來(lái)進(jìn)行的量子計算機實(shí)驗，該實(shí)驗正是利用了他與另外兩位獲獎?wù)咚芯康哪芰苛孔踊匦浴褂镁哂辛孔踊芗壍碾娐纷鳛樾畔⑤d體，即量子比特（qubit）。最低能級和第一個(gè)激發(fā)態(tài)分別代表“0”和“1”，這正是構建未來(lái)量子計算機的技術(shù)路徑之一。

可以說(shuō)，今年的獲獎?wù)卟粌H深化了人們對物理世界的理解，也為發(fā)展新一代量子技術(shù)包括量子加密、量子計算和量子傳感等領(lǐng)域開(kāi)辟了新路徑。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì )主席奧勒·埃里克松表示：“量子力學(xué)在百年發(fā)展歷程中持續帶來(lái)新突破，值得共同慶賀。而這項研究更具重大應用價(jià)值，因為量子力學(xué)是所有數字技術(shù)的基石?！?/p>