2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯，以表彰他们在电路中发现宏观量子隧穿和能量量子化。他们的开创性实验利用超导体构建的约瑟夫森结，在宏观尺度上展示了粒子穿越能量屏障（隧穿效应）和能量以特定量级跳跃（能量量子化）的量子力学特性。这项研究颠覆了量子力学仅限于微观世界的传统认知，为量子计算、量子密码学和量子传感器等下一代量子技术奠定了坚实基础，并恰逢量子力学诞生百年之际，为这一革命性科学献上了一份重要贺礼。

💡 **宏观量子隧穿的实现**：研究人员通过使用由超导体构成的约瑟夫森结，在宏观尺度上观察到了量子隧穿效应。这意味着，如同蒲松龄笔下的穿墙术，宏观系统也能够“穿过”能量屏障，这一现象在传统认知中被认为只存在于微观粒子层面，极大地拓展了我们对量子力学适用范围的理解。

⚡ **能量量子化的验证**：实验证明，电路中的能量变化并非连续，而是呈阶梯状，只能以特定的“量”吸收或释放能量，即能量量子化。通过注入不同波长的微波，当能量匹配能级差时，电路会吸收能量并跃迁到更高能级，这与量子世界中粒子的行为惊人一致，进一步证明了宏观系统展现出的量子特性。

⚛️ **对量子技术的深远影响**：这项研究不仅革新了我们对量子世界的认知，更对量子技术的发展起到了关键的推动作用。例如，约翰·马丁尼斯将此发现应用于开发量子计算机，利用超导电路作为量子比特。此外，该研究也为量子密码学、量子传感器等前沿量子技术的研发提供了重要的理论和实验基础。

💯 **量子力学百年诞辰的献礼**：2025年恰逢量子力学诞生一百周年，将诺贝尔物理学奖授予在此领域做出杰出贡献的三位科学家，是对量子力学百年发展历程的最好致敬。这标志着量子力学在过去一个世纪中引发的科学革命仍在持续，并预示着其未来将带来更多突破性的应用。

清代文学家蒲松龄在《聊斋志异》中塑造了崂山道士这个形象，他的穿墙术使得这一人物广为人知。我们曾经认为，这种法术只是蒲松龄的大胆幻想，在现实世界中绝无可能。量子力学的出现拓展了我们认识的边界，由量子力学规律所支配的粒子能够穿过墙壁，展现出违反直觉的特性，但这仍然是在远离我们日常经验的微观世界里。

而在宏观世界里，“穿墙术”竟然也能上演。2025年10月7日，瑞典皇家科学院宣布，2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret）和约翰·马丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他们对“在电路中发现宏观量子隧穿和能量量子化”所作出的贡献。三人将各自获得1100万瑞典克朗奖金的1/3。他们的研究正是利用量子力学在宏观世界观察到“穿墙术”。

2025年诺贝尔物理学奖获得者约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯。（图片来源：诺贝尔奖官网）

师徒三人的先驱探索

克拉克于1942年出生于英国，1968年获得英国剑桥大学博士学位，目前担任美国加州大学伯克利分校教授。德沃雷于1953年出生于法国，1982年获得法国巴黎第十一大学博士学位，目前担任美国耶鲁大学和美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授。马丁尼斯于1958年出生于美国，1987年在克拉克的指导下于加州大学伯克利分校获得博士学位，目前担任美国加州大学圣塔芭芭拉分校教授。

粒子能够穿过墙壁，是因为量子力学允许粒子通过一种被称作“隧穿效应”的过程直接穿过障碍。但一般来说，当涉及大量粒子时，量子力学效应通常变得不明显。而今年三位获奖者的实验则令人惊讶地表明，量子力学特性可以在宏观尺度上得到展现。

1984年和1985年，任教于加州大学伯克利分校的克拉克与博士后德沃雷以及他的博士生马丁尼斯进行了一系列使用由超导体构建的电子电路的实验。超导体是一种能够无电阻传导电流的元件。在该电路中，超导体元件被薄薄的一层绝缘材料隔开，这种结构被称为约瑟夫森结。在超导体中，电子组成库珀对，它们具有不同寻常的性质，即移动的电子共同运动、没有阻力，因此整个系统表现得就像是一个填充了整个电路的单一粒子。他们通过精调并测量电路的各种特性，能够控制和探索当电流通过该电路时所产生的一系列现象。

在实验中，他们向电路中输入微弱电流，并测量电压变化。在没有量子效应时，这个像单一粒子一样的宏观系统最初处于一种有电流流动而没有任何电压的状态。系统被困在这个状态中，仿佛被一道它无法穿越的屏障所束缚。然而，他们发现，电压会突然跳动，好像系统成功“穿越”这道能量屏障。他们指出，电路中的整个超导系统通过宏观量子隧穿效应成功脱离了零电压状态，从而展示了其量子特性。

三人还进一步证明，这个系统的能量不是连续变化的，而是呈阶梯状变化，只能按照特定的量吸收或者释放能量，这种现象被称作“能量量子化”。当他们向电路中注入不同波长的微波时，如果微波的能量恰好与某一级能量差匹配，电路就会吸收这份能量并跳到更高的能级上，这就像粒子在量子世界中发生跃迁一样。

系统的这种行为方式与量子力学的预测完全一致。更为特别的是，这样的行为不是发生在一个电子或者一个原子身上，而是发生在一个由众多粒子组成的宏观系统中，展示了量子力学中“穿墙术”不可思议的一面。

量子力学的更多可能

奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrodinger）因为创立了波动力学、提出了薛定谔方程而获得1933年诺贝尔物理学奖。然而，他被公众所熟知更多是因为他提出的著名思想实验——薛定谔的猫。他构想出一只被关在盒子里的猫，如果我们不观察这只猫，它就处于既生又死的状态，但当我们打卡盒子后，猫只能处于生或死的一个状态。其实，薛定谔并不养猫，他的这个思想实验实质是凸显这种情况的荒谬。物理学家一直认为，量子力学只在微观层面上发挥作用，宏观世界则会“去量子化”，量子力学的特性会被抹去，所以猫的量子特性无法在实验中被观察到。

但是，今年三位诺贝尔奖得主的研究深刻改变了物理学界对量子世界的理解。理论物理学家安东尼·莱格特（Anthony Leggett）认为，三人的实验表明存在涉及大量粒子的现象，其中粒子的共同行为正如量子力学的预测。与一只小猫相比，他们在电路中进行的实验在尺度上仍然小得多，但由于实验测量了适用于整个系统的量子力学性质，因此对于量子物理学家来说，这与薛定谔的猫非常相似。

克拉克、德沃雷与马丁尼斯的研究不仅促进了理论的变革，更为量子技术的进步奠定了坚实的基础。量子计算是当下的热门研究领域。马丁尼斯在此后领导谷歌（Google）公司的研究团队开发量子计算机时，就用到了他与克拉克和德沃雷所发现的能量量子化。他将这种超导电路用作信息单元，也就是量子比特（qubit）。在建造量子计算机的过程中，超导电路正被视为重要的技术路径之一。而除了量子计算机，今年的诺贝尔物理学奖也为开发量子密码学、量子传感器等下一代量子技术提供了更多机会。

在量子力学中，与薛定谔的波动力学等价的是德国物理学家维纳·海森堡（Werner Heisenberg）的矩阵力学。1925年6月，海森堡在北海的黑尔戈兰岛上提出了矩阵力学，这被认为是量子力学的开端。2025年是量子力学诞生百年，诺贝尔物理学奖授予三位从事量子力学研究的物理学家，也为量子力学百年华诞献上了一份贺礼。

“能够庆祝具有百年历史的量子力学不断带来新的惊喜，这真是太棒了。而且，由于量子力学是所有数字技术的基石，因此它也非常有用。”诺贝尔物理学奖委员会主席奥勒·埃里克松（Olle Eriksson）在诺贝尔奖官网上说道。

在过去一个世纪里，量子力学掀起了一场科学和思想的革命；而以今年的诺贝尔奖为新的起点，量子力学将在未来展示更多可能，成为我们推动科学和技术发展的强大工具。