瑞典皇家科學院於周二 (7 日) 宣布，將 2025 年諾貝爾物理學獎授予三位科學家：克拉克 (John Clarke)、德沃雷特 (Michel H. Devoret) 以及馬蒂尼斯 (John M. Martinis)。

三位得主獲獎的理由是「發現了電路中的宏觀量子力學穿隧和能量量子化」。他們透過一系列實驗證明，奇特的量子世界特性能夠轉化為日常生活中可測量的效應。這項突破為下一代量子技術，包括量子密碼學、量子電腦和量子感測器的發展鋪平了道路。

宏觀世界中的量子怪誕行為

量子力學描述的是單一粒子尺度上的特性，這些現象即使比光學顯微鏡可見的物體小得多，在量子物理學中仍被稱為「微觀」。與之相對的「宏觀」現象則由大量粒子組成。例如，日常的球體由天文數字般的分子構成，不會展現量子力學效應。

然而，在微觀世界中，單一粒子有時能直接穿過等效的屏障，出現在另一側，這種現象稱為「穿隧」。克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯的工作，證明了這種穿隧現象可以在涉及許多粒子的宏觀尺度上被觀察到。

這就像你把球扔到牆上時，一定會反彈回來；但現在，這個可被手持的系統卻能從一種狀態穿隧到另一種狀態，彷彿穿過了實心的牆壁。

超導電路中的集體行為

在 1984 年至 1985 年間，三位科學家在加州大學柏克萊分校進行了一系列開創性實驗。他們建構了一個由兩個超導體組成的電路，超導體可以在沒有電阻的情況下導電。他們用一層不導電的薄層將這兩個超導體分開，形成了約瑟夫森接面 (Josephson junction)。

在極度低溫下，超導體中的電子結合成「庫柏對」(Cooper pairs)。這些庫柏對能夠像一個單一的巨大粒子一樣同步集體行動。該系統被困在一個電流流動但電壓為零的狀態，能量不足以逃脫。然而，該系統卻透過穿隧來逃離零電壓狀態，產生了電壓，這展現了它的量子特性。

此外，三位得主還證明該系統是「量子化」的。這意味著它只能以特定的劑量 (量子) 吸收或發射能量。他們透過引入不同波長的微波來測量，證實含有更高能量的系統被困住的時間較短，這與量子力學的預測完全一致。

對量子技術的深遠影響

這項實驗的晶片尺寸約為 1 公分。過去，穿隧和能量量子化僅在只有幾個粒子的系統中被研究；現在，這些現象出現在一個由數十億庫柏對組成的、充滿整個超導體的量子力學系統中。

這項發現提供了新的實驗潛力。理論學家萊格特 (Anthony Leggett，諾貝爾物理學獎 2003 年得主) 將得主的宏觀量子系統與薛丁格著名的貓思想實驗進行了比較，指出雖然這個宏觀系統比小貓小得多，但由於測量的是適用於整個系統的量子特性，因此對於量子物理學家而言，它與薛丁格假想的貓相當相似。

這種宏觀量子態被視為一種大規模的「人造原子」，為新的量子技術提供了基礎。例如，馬蒂尼斯後續進行的量子電腦實驗中，就利用了他們所證明的能量量子化。他使用具有量子化狀態的電路作為資訊承載單元——即量子位元 (quantum bit)，最低能量狀態和第一個上升的步驟分別作為零和一。

克拉克教授在新聞發布會上接到獲獎電話時表示：「輕描淡寫地說，這是我一生中的驚喜」。3 位得主將分享 1100 萬瑞典克朗 (約 120 萬美元) 的獎金。