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◎ 本報特約作者 林志榮，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所超導(dǎo)電子實驗室副主任、研究員    

美國加州大學(xué)伯克利分校的約翰·克拉克（John Clarke）教授、加州大學(xué)圣巴巴拉分校和耶魯大學(xué)的米歇爾·德沃雷特（Michel H. Devoret）教授、加州大學(xué)圣巴巴拉分校的約翰·馬蒂尼（John M. Martinis）教授3人，因“在電路中的發(fā)現(xiàn)宏觀隧穿效應(yīng)與能量量子化”榮獲2025年諾貝爾物理學(xué)獎，為超導(dǎo)量子計算發(fā)展奠定了重要物理基礎(chǔ)。

在宏觀尺度上驗證了量子世界獨有效應(yīng)

40年前，這3位科學(xué)家將超導(dǎo)芯片置于接近絕對零度的極低溫（約-273.13攝氏度）環(huán)境，在一個電流偏置的約瑟夫森結(jié)電路中觀察到了量子化能級以及亞穩(wěn)態(tài)下量子隧穿現(xiàn)象，相關(guān)成果以兩篇論文的形式發(fā)表于物理學(xué)頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。本次諾獎成果作為一項基礎(chǔ)研究，核心科學(xué)價值是在宏觀尺度上驗證了量子世界獨有的效應(yīng)，拓寬了人類對量子力學(xué)微觀尺度的認(rèn)知邊界。

本次諾獎的研究工作受到了1973年諾貝爾物理學(xué)獎得主布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson）和2003年得主安東尼·萊格特（Anthony Leggett）的啟發(fā)，因而許多人認(rèn)為Anthony Leggett作為首個理論提出者與本次諾獎更契合。Brian Josephson和本次諾獎得主John Clarke在英國劍橋大學(xué)師出同門，導(dǎo)師均為著名英國物理學(xué)家布賴恩·皮帕德（Brian Pippard）。Brian Josephson高John Clarke兩屆，在1973年因量子隧穿現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與江崎玲于奈（Leo Esaki）、伊瓦爾·賈埃弗（Ivar Giaever）共獲諾貝爾物理學(xué)獎。Anthony Leggett則在20世紀(jì)80年代初便預(yù)測了超導(dǎo)電路中的宏觀變量（如相位或磁通量）可以表現(xiàn)出量子隧穿和分立的能級，他與安努帕姆·加格（Anupam Garg）在1981年合作提出了萊格特-加格（Leggett-Garg）不等式，該不等式是用于區(qū)分量子相干性與經(jīng)典行為、檢驗宏觀實在論的一種方法，而這一理論框架直接促成了本次諾貝爾獎的成果。

本次諾獎成果更多的是源于科學(xué)家處于對科學(xué)研究的好奇、對量子力學(xué)理論適用范圍的探索，彼時并沒有明確的應(yīng)用導(dǎo)向。40年前，John M. Martinis為博士生，Michel H. Devoret為博士后，John Clarke教授也只是加州大學(xué)伯克利分校一位40歲出頭的青年教授。3人國籍不同、性格迥異，John M. Martinis是美國人，Michel H. Devoret是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆▏耍琂ohn Clarke則是英國紳士，但本著對電路中的宏觀隧穿效應(yīng)與能量量子化的科學(xué)興趣，共同實現(xiàn)了本次諾獎成果的發(fā)現(xiàn)。此后，他們在超導(dǎo)量子精密測量、超導(dǎo)量子計算等方面亦做出了卓越的貢獻。

距規(guī)模化量子計算又近了一步

今年諾貝爾物理學(xué)獎的發(fā)現(xiàn)，不僅為超導(dǎo)量子計算發(fā)展奠定了重要的物理基礎(chǔ)，也是當(dāng)前迅速發(fā)展的超導(dǎo)量子計算機研發(fā)的源頭與基石。國際公認(rèn)的超導(dǎo)量子計算起點始于1999年，日本電氣股份有限公司（NEC）的蔡兆申、中村泰信、尤里·帕?？硕鳎╕uri Pashikn）等人實現(xiàn)了首個固態(tài)量子比特，并首次在宏觀量子系統(tǒng)中實現(xiàn)了量子相干操作。筆者曾有幸在蔡兆申、中村泰信團隊工作7年，其間聽聞并親歷不少珍貴軼事：John Clarke和蔡兆申是非常好的朋友，因而John Clarke到日本訪問時多次下榻蔡兆申家中；中村泰信與Michel H. Devoret治學(xué)均非常嚴(yán)謹(jǐn)，彼此是長期進行深度學(xué)術(shù)交流的重要伙伴。

如今，超導(dǎo)量子計算正迅猛發(fā)展。盡管仍有大量科學(xué)問題和工程問題需要克服，該技術(shù)路線有望為人類社會帶來巨大的算力飛躍，改變信息技術(shù)的格局。有科學(xué)家曾預(yù)言，“距離大規(guī)模量子計算有好幾個諾貝爾獎”。本次諾貝爾獎的頒發(fā)，標(biāo)志著人類距離規(guī)?；孔佑嬎阌纸艘徊?。對量子計算機的探索凝聚了多學(xué)科尖端技術(shù)的精華，是推動眾多領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的重要牽引力，雖然仍有許多技術(shù)挑戰(zhàn)有待克服，但這次獲獎極大地鼓舞了整個領(lǐng)域的研究者，繼續(xù)投身于更具挑戰(zhàn)性的理論探索與實驗研究之中。

（本文編輯：朱廣清）