富途牛牛头条 10月07日 21:21
宏观量子力学隧穿和能量量化:2025年诺贝尔物理学奖揭晓
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2025年诺贝尔物理学奖授予了约翰·克拉克、麦克·H·德沃雷特和约翰·M·马蒂尼,以表彰他们在电路中发现宏观量子力学隧穿和能量量化。他们的实验在宏观尺度上展现了量子力学的奇异特性,证明了量子效应在足够大的系统中也能体现。研究者们利用超导约瑟夫森结电路,观察到系统在量子隧穿效应下克服“能量屏障”,并证明了能量的吸收与发射是量子化的,符合量子力学的预测。这项突破为下一代量子技术的发展奠定了基础。

🔬 **宏观尺度下的量子力学显现:** 约翰·克拉克、麦克·H·德沃雷特和约翰·M·马蒂尼通过在电路中进行实验,成功地在宏观尺度上展示了量子力学的关键效应,即量子隧穿和能量量化。这打破了长期以来认为量子效应仅限于微观尺度的认知,为理解量子世界提供了新的视角。

💡 **约瑟夫森结在量子实验中的核心作用:** 研究者们利用由超导体构建的约瑟夫森结电路进行了突破性实验。约瑟夫森结由超导材料隔以薄层非导电材料构成,其独特的性质使得带电粒子能够集体表现出宏观的量子行为。通过精细控制和测量电路特性,他们观察到了电流在零电压状态下通过量子隧穿效应逃逸,并伴随电压的出现,从而证实了宏观量子隧穿的存在。

📏 **能量量化的精确验证:** 除了观察到宏观量子隧穿,获奖者还证明了该系统严格遵循量子力学的预测,即能量的吸收和发射是量子化的,只能以特定的、离散的能量包进行。这一发现进一步强化了量子力学在宏观系统中的适用性,并为理解能量在量子层面的传递机制提供了关键证据。

🚀 **推动下一代量子技术的发展:** 此次诺贝尔物理学奖的颁发,不仅是对基础科学研究的肯定,更是对未来科技发展的巨大推动。获奖者的工作为量子计算、量子密码学和量子传感器等下一代量子技术的开发提供了重要的理论和实验基础,预示着一个由量子技术驱动的新时代的到来。

量子力学允许粒子通过一种被称为隧穿的过程直接穿过屏障。一旦涉及大量粒子,量子力学效应通常变得微不足道。获奖者的实验证明,量子力学性质可以在宏观尺度上得到具体体现,且该系统按照量子力学预测的方式运行,只吸收或发射特定数量的能量。

2025年度诺贝尔物理学奖揭晓。

当地时间10月7日,瑞典皇家科学院决定将2025年诺贝尔物理学奖授予科学家约翰·克拉克 (John Clarke)、麦克·H·德沃雷特 (Michel H. Devoret) 、约翰·M·马蒂尼 (John M. Martinis),以表彰他们“发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量化”。获奖者将平分1100万瑞典克朗(约合836万元人民币)奖金。

官网信息显示,约翰·克拉克于1942年出生于英国剑桥。1968年获英国剑桥大学博士学位。现任美国加州大学伯克利分校教授。

麦克·H·德沃雷特于1953年出生于法国巴黎。1982年获法国巴黎第十一大学博士学位。现任耶鲁大学和美国加州大学圣巴巴拉分校教授。

约翰·M·马蒂尼,1958年生,1987年获美国加州大学伯克利分校博士学位。现任美国加州大学圣巴巴拉分校教授。

诺贝尔基金会发布的新闻稿全文如下:

他们在芯片上的实验揭示了量子物理学的作用

物理学中的一个重大问题是,能够展现量子力学效应的系统的最大尺寸是多少。今年的诺贝尔奖获得者用电路进行了实验,在这个足够大、可以用手握住的系统中,他们展示了量子力学隧穿和量子化能级。

量子力学允许粒子通过一种被称为隧穿的过程直接穿过屏障。一旦涉及大量粒子,量子力学效应通常变得微不足道。获奖者的实验证明,量子力学性质可以在宏观尺度上得到具体体现。

1984年和1985年,约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马丁尼斯用由超导体构建的电子电路进行了一系列实验,超导体是可以无电阻导电的组件。在电路中,超导组件被一层薄的非导电材料分隔开,这种设置被称为约瑟夫森结。通过完善和测量电路的各种性质,他们能够控制和探索电流通过时产生的现象。带电粒子在超导体中移动,它们共同构成了一个系统,其行为就像是一个填满整个电路的单一粒子。

这个宏观的类粒子系统最初处于电流流动但没有电压的状态。系统被困在这种状态中,就像被困在一个无法跨越的屏障后面。在实验中,系统通过隧穿设法逃离零电压状态,展现了其量子特性。系统状态的改变通过电压的出现被检测到。

获奖者还能证明该系统按照量子力学预测的方式运行——它是量子化的,意味着它只吸收或发射特定数量的能量。

"能够庆祝百年历史的量子力学不断带来新惊喜,这是很棒的。这也是极其有用的,因为量子力学是所有数字技术的基础,"诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松说。

计算机微芯片中的晶体管就是我们身边成熟量子技术的一个例子。今年的诺贝尔物理学奖为开发下一代量子技术提供了机会,包括量子密码学、量子计算机和量子传感器。

编辑/doris

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