“人开着车穿过墙壁”或许是科幻电影中的场景，毕竟要让一个宏观物体的所有粒子同时穿过另一个物体的概率趋近于零，况且按照常识，汽车撞墙会被反弹。但在量子世界里，微观粒子却真能上演“穿墙术”。那宏观世界能否展现量子力学效应，最大可以达到什么尺度？

今年的诺贝尔物理学奖，三位科学家把这种“反常识”从微观推向了人类可触摸的宏观世界——“奇异”的量子现象，可以在你手心大小的电路中发生，其通过超导电路系统可以从一个状态隧穿到另一个状态，就像直接穿过一堵墙一样。

▲瑞典皇家科学院10月7日宣布，三名科学家因在量子力学领域的贡献获2025年诺贝尔物理学奖。图片来源：新华社 记者 彭子洋摄

约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷特（Michel H. Devoret）和约翰·马丁尼斯（John M. Martinis）三位2025年诺贝尔物理学奖获得者就通过电路实验，让量子力学从原子与电子的微观舞台，跃上了可以触摸的人类尺度，使量子力学特性在宏观尺度上得以具体呈现，展示出量子力学隧穿效应与能量量子化。

宏观量子隧穿：

量子力学不再只是“微观的魔法”

量子力学描述的是在涉及单个粒子的尺度上具有重要意义的特性。在量子物理学中，这些现象被称为微观现象，它们远小于用光学显微镜可以看到的尺寸。这与宏观现象形成对比，宏观现象由大量粒子组成。

量子力学的核心特性（如隧穿、能量量子化）长期被认为仅存在于微观尺度（如单个粒子、原子），而宏观物体（如日常的球）因由海量粒子构成，量子效应会被“淹没”。例如，宏观世界中，向墙面抛出的球必然会反弹；微观世界中，单个粒子却可能“穿透”屏障，出现在另一侧——这一现象被称为量子隧穿。

今年的诺贝尔物理学奖表彰了展示如何在宏观尺度上观察量子隧穿的实验，涉及许多粒子。1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马丁尼斯在加州大学伯克利分校进行了一系列实验。他们的目标非常明确：在一个简单的“电流偏置约瑟夫森结”系统中，寻找宏观量子效应存在的确定性证据。这项实验的挑战是巨大的，任何来自外界的微小噪声都可能“加热”系统，其效果会与真正的量子隧穿现象相混淆，导致错误的结论。

他们用两个超导体（即能够无电阻传导电流的元件）构建了一个电路。在该电路中，超导元件被一层薄薄的绝缘材料隔开，这种结构被称为约瑟夫森结。通过精确改进并测量其电路的各种特性，他们得以控制和探索当电流通过时产生的现象。流经超导体的带电粒子共同构成了一个系统，其行为犹如一个遍布整个电路的单一粒子。

这个宏观的类粒子系统最初处于一种无电压的电流流动状态。系统受限于此状态，仿佛被一道无法穿越的势垒所阻挡。实验中，该系统通过隧穿效应成功脱离零电压状态，从而展现了其量子特性。系统状态的改变通过电压的出现而被检测到。换句话说，电路中的整个超导体系，完成了一次宏观量子隧穿。获奖者们还证明了该系统的行为遵循量子力学的预测——它是量子化的，意味着它仅吸收或释放特定数量的能量。

简化版“薛定谔的猫”：

打破“微观量子、宏观经典”的墙

这个实验对理解量子力学产生了重要影响。在宏观尺度上观察到的其他量子力学效应由许多微小的个体部分及其各自的量子特性组成。这些微观成分组合起来后，产生了如激光、超导体和超流体等宏观现象。然而，三位获奖者的实验却从一个本身是宏观的状态中，以大量粒子的共同波函数的形式直接创造了可测量的电压这一宏观效应。

像安东尼·莱格特（Anthony Leggett，2003年诺奖得主）这样的理论家，将获奖者的宏观量子系统与埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）著名的思想实验进行了比较。“薛定谔的猫”：由于放射性原子核的衰变处于“衰变”与“未衰变”的叠加态，一只与之关联的猫，也因此处在“生”与“死”的叠加态。这个思想实验形象地指出了将量子法则应用到宏观世界是何等荒谬。在现实世界中，我们从未见过一只“既生又死”的猫，这是因为宏观物体与周围环境存在着无法避免的相互作用，这种相互作用会极快地破坏掉精巧的量子叠加态。

莱格特认为，克拉克、德沃雷特和马丁尼斯进行的一系列实验表明，确实存在涉及大量粒子的现象，这些粒子共同表现得如量子力学所预测的那样。其系统虽远小于猫，但由数十亿库珀对构成（属于宏观尺度），且其量子特性（隧穿、量子化）是“整个系统的集体行为”，而非单个粒子的叠加。正如莱格特所言：“这相当于在实验室中实现了‘薛定谔的猫’的简化版，证明宏观系统可遵循量子规律。”

量子科学的转折点：

将量子世界带入宏观工程系统

只要能够与环境充分隔离，即便是大到可以“用手触摸”的电路，其整体行为也会服从量子力学的规律。研究者曾将三位获奖者的实验系统比喻为“宏观原子核”，并设想通过导线将这些“宏观原子核”连接起来，去构建全新的量子系统。

这种类型的宏观量子态为使用支配粒子微观世界的现象进行实验提供了新的潜力。它可以被视为大规模的人造原子——一个带有电缆和插座的原子，可以连接到新的测试装置或用于新的量子技术。而“超导电路可作为人造原子”逐渐成为构建量子计算机最具潜力的平台。

像马丁尼斯实施的量子计算机实验正是运用了他与其他两位获奖者共同验证的能量量子化现象，通过将具有量子化状态的电路作为信息承载单元（即量子比特），其最低能态和第一激发态分别编码信息0和1。超导电路是在尝试构建未来量子计算机中正在探索的技术之一。如今，全球领先的量子计算研究（包括Google的量子芯片）都直接受益于他们开创的思路。

诞生百年的量子力学仍在不断带来惊喜。克拉克、德沃雷特和马丁尼斯三位科学家的工作，不仅证明了宏观量子效应的存在，为理论上理解我们的物理世界提供了新信息，也将量子世界从微观粒子和思想实验的领域，成功带入了可被精确设计和操控的宏观工程系统中，为现代量子计算和量子科学的发展铺平了道路。

参考资料：

1.诺贝尔奖官网.Their experiments on a chip revealed quantum physics in action

2.“知识分子”公众号.2025年诺贝尔物理学奖揭晓，其中两位得主曾获“墨子量子奖”

3.“京师物理”公众号.三位物理学家因发现宏观尺度下的量子隧穿和能量量子化获2025年诺贝尔物理学奖

4.“环球科学”公众号.详解2025诺贝尔物理学奖：他们在人类尺度上观测到量子力学

5.“未来科学发展中心”公众号.致敬量子力学百年，2025诺贝尔物理学奖颁给三位量子物理研究者

6.“果壳”公众号.一句话说清物理诺奖：人类首次在宏观世界看到“子弹穿墙”

来源：北京科技报

撰文：记者 方冉冉