瑞典皇家科学院今日宣布，将2025年诺贝尔物理学奖授予三位科学家——约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马丁尼斯，以表彰他们在宏观量子力学领域的重要突破，具体为“在电路中首次观测到宏观尺度下的量子隧穿效应与能量量子化现象”。
量子力学自诞生以来，一个核心问题始终困扰着科学家：量子效应究竟能在多大尺度的系统中被观测到？传统理论认为，随着系统尺寸增大，量子特性会因退相干效应迅速消失。然而，三位获奖者的研究颠覆了这一认知——他们通过设计精密的电路实验，在厘米级甚至可手持的宏观系统中，同时验证了量子隧穿与能量量子化的存在。
量子隧穿是量子力学的标志性现象之一：粒子无需跨越经典物理中的能量势垒，而是以概率形式“穿透”障碍。但当系统包含大量粒子时，这种效应通常会被湮没。获奖团队通过超导电路实验证明，即使由数以亿计的电子组成的宏观系统，仍能保持量子相干性。实验中，他们构建了由超导体与绝缘层交替组成的“约瑟夫森结”电路，通过精确调控电流与电压，观测到系统从零电压态向有电压态的量子隧穿跃迁。
研究的关键突破在于，团队发现该宏观系统的能量变化并非连续，而是以离散的“量子台阶”形式出现。这一现象直接验证了能量量子化的核心假设——系统只能吸收或释放特定频率的能量，与微观粒子行为完全一致。诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松评价道：“这项研究将量子力学的边界从原子尺度推向了肉眼可见的宏观世界，为理解复杂系统的量子行为开辟了新路径。”
实验装置的核心是超导电路技术。超导体在临界温度下电阻为零，电子可形成“库珀对”整体运动。当两个超导体被薄绝缘层分隔时，电子对能以量子隧穿方式穿过势垒，形成超导电流。获奖者通过调控电路参数，使系统处于“量子束缚态”，即电流存在但电压为零的特殊状态。随后，他们观测到系统通过隧穿效应突破势垒，伴随电压的突然出现，直接证明了宏观量子隧穿的存在。
这项成果不仅深化了量子力学的基础认知，更对技术发展产生深远影响。当前数字技术的基石——晶体管，本质上已利用了量子隧穿效应。而三位科学家的研究为更复杂的量子技术铺平了道路，例如可实现绝对安全的量子密码学、运算速度指数级提升的量子计算机，以及能探测单个光子的高精度量子传感器。埃里克松强调：“量子力学诞生百年后仍在不断带来惊喜，它不仅是理论上的瑰宝，更是现代科技的根基。”
