◎ 本报特约作者 金贻荣，北京量子信息科学研究院研究员、相干（北京）科技有限公司创始人      

2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·H·德沃雷（Michel H. Devoret）和约翰·M·马蒂尼斯（John M. Martinis），以表彰他们在宏观量子隧穿和电路量子化方面的开创性发现。这几位开拓者通过超导电路，将量子效应从微观原子尺度扩展到宏观尺度，标志着量子力学在更大系统中的应用突破。正是这些突破，让基于超导电路的量子器件在量子计算和量子精密测量领域大展身手。    

2003年诺贝尔物理学奖获得者的高度评价

本次诺贝尔物理学奖，源于这3位科学家在1985年合作先后发表于物理评论快报（PHYSICAL REVIEW LETTERS）的两篇论文：《零电压状态下的电流偏置约瑟夫森结中的能量量子化（Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction）》【John M. Martinis, Michel H. Devoret, and John Clarke, Phys. Rev. Lett., 55, 1543, 1985】和《零电压状态下的电流偏置约瑟夫森结中宏观量子隧穿测量（Measurements of Macroscopic Quantum Tunneling out of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction）》【Michel H. Devoret, John M. Martinis, and John Clarke, Phys. Rev. Lett. 55, 1908, 1985】。前一篇论文首次观测到宏观变量——约瑟夫森相位在一个处于零电压态的电流偏置约瑟夫森结中的量子化，即形成分立的能级。这些能级的位置与量子力学计算结果高度相符；第二篇论文则在相同的体系中明确观测到了宏观量子隧穿现象。这些工作证明了量子力学不限于原子尺度，而是可扩展到可见尺寸的系统。这挑战了经典物理的界限，并为量子信息科学奠基。

1988年，这个团队又在《科学》杂志（Science）上发表了一篇名为《宏观变量的量子力学：约瑟夫森结的相位差（Quantum Mechanics of a Macroscopic Variable: The Phase Difference of a Josephson Junction）》【JOHN CLARKE, ANDREW N. CLELAND, MICHEL H. DEVORET, DANIEL ESTEVE,JOHN M. MARTINIS, Science, 239, 992, 1988】，通过测量低温下电流偏置的约瑟夫森结从零电压状态向有阻态的逃逸率，与量子力学的预测高度相符，“没有任何可调参数”，确认了约瑟夫森结相位差是一个宏观量子变量。在论文的摘要中，他们自称这是一个“用线接起来的宏观原子”。彼时，德沃雷和马蒂尼斯已经前往法国萨克雷原子能研究所从事独立的研究。莱格特教授（2003年诺贝尔物理学奖获得者）对此评价颇高，认为这比能级量子化更重要。

这一突破性进展，为后续基于超导量子电路量子化的大量开创性进展特别是超导量子计算，打下了坚实的基础。电流偏置的约瑟夫森结本身，就是一种早期经典的量子比特——相位量子比特的前身。超导电路量子化的确立，使得人们可以利用超导量子电路构造“人工原子”：它具有可设计的能级结构，可设计的相互作用强度，以及可设计的与外部电磁场的耦合强度，使得构造可控的人工量子体系用于量子信息处理成为可能。

未来很可能开创万亿级新市场

利用约瑟夫森效应中奇特的非线性和电路量子化，还可以用来构造各种精密测量工具，其中最著名的当属“超导量子干涉仪（SQUID）”，约翰·克拉克正是这一器件的发明者及其应用的大力推广者。克拉克年轻时对无线电技术着迷，曾自制业余无线电设备，并在英国剑桥大学实验室“捣鼓”超导实验，导致过一次小爆炸——这让他意识到量子隧穿的“不可预测性”，也成为他日后研究的灵感来源。后来，他将SQUID应用于脑磁图成像，半开玩笑地说：“我从监听无线电，变成了监听大脑的量子信号！”

米歇尔·H·德沃雷的主要贡献在于开创宏观量子隧穿实验，构建“电路量子电动力学”（circuit QED）系统，实现人工原子操控。德沃雷在美国耶鲁大学开创的研究组，如今已经成为超导量子电路、超导量子操控和计算领域的摇篮，散落在世界各地、近半数的超导量子团队，都出身于这个伟大的研究组，这其中包括IBM量子部门。

获奖的3人中，约翰·M·马蒂尼斯是最具工程化能力的一位科学家，他是一位狂热的电子爱好者，并喜欢约瑟夫森结及其电路所带来的奇特电路效应，最早在“相位量子比特”——接近临界偏置的约瑟夫森结中发现了量子相干振荡。他还在两个相位量子比特之间实现了长距离（10cm尺度）的相互作用，进一步拓展宏观量子效应的尺度。2014年，他带着他在美国加州大学圣巴巴拉分校的团队加入谷歌开创了谷歌的量子AI团队，并在2019年推出横空出世的“悬铃木”量子芯片，在53个量子比特中首次展示“量子霸权”。

2025年的诺贝尔物理学奖授予这3位宏观量子隧穿和电路量子化及其应用的先驱，无疑是实至名归的。正是这些开创性的工作，才使得人们今天距离实用量子计算如此之近。超导量子计算已经成为目前最有前景的技术路线之一，已经进入中大规模工程化阶段，除了谷歌、IBM等科技巨头的深度参与外，围绕超导量子计算已经产生很多初创公司，比较有代表性的有D-wave、Rigetti（均已经上市）等。2025年的诺贝尔物理学奖，除了其深远的基础科学意义外，未来很可能在量子计算和量子精密测量领域开创万亿级的新市场。最后引用德沃雷和舍尔科夫（Schoelkopf）在2013年一篇综述文章《用于量子信息处理的超导电路——一个展望（Superconducting Circuits for Quantum Information - An Outlook）》中的一段话作为结尾：

……在过去不到20年里，我们见证了量子计算，以及其他量子信息处理方面如此多的进展，以至于（量子计算）看上去很可能在我们有生之年内实现，尽管仍有大量的新探索和技术创新等待着我们。

（本文编辑：朱广清）