2025年诺贝尔物理学奖得主
2025年的诺贝尔物理学奖再一次花落“量子力学”。
量子力学讲的是微观世界的规律，电子、原子这些小东西会做一些看似“违背常识”的事情，比如单个粒⼦有时会施展“穿墙术”，出现在屏障的另⼀侧——而今年的诺奖物理学奖得主们让“量子怪事”出现在肉眼可见的世界里。
获奖者是40年前的一支“梦之队”——不是大佬之间联手攻关，而是“导师+博士后+博士生”的师门组合。
2025年诺贝尔物理学奖公布现场 / 新华社记者 彭子洋 摄
40年前，43岁的约翰·克拉克，32岁的米歇尔·H·德沃雷特，27岁的约翰·M·马蒂尼斯，利用超导体构成的电子电路进行了一系列实验，在宏观尺度上揭示了量子物理学的运作。
量子物理学虽然神秘，但现实已有诸多应用。
晶体管、半导体芯片是量子技术现有的成熟运用，“我们的发现是量子计算的基础……手机能够发挥作用的根本原因之一就是因为这些工作”，克拉克在诺奖现场接受电话采访时说。
量子力学是所有数字技术的基础，但它不止如此。诺贝尔委员会表示，3位获奖者的工作为开发下一代量子技术打开了窗口，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器等。
在3位获奖者当中，约翰·M·马蒂尼斯最负盛名。他不只是个实验物理学家，还是个极其注重应用的技术专家，堪称“物理学家中的工程师”。
图为约翰·M·马蒂尼斯
从博士开始，他就以极高的专注度深耕量子计算，为谷歌证明了“量子霸权”，带领团队6年“肝”出了200多篇论文，又为了“造一台量子计算机”的人生目标，而与之分道扬镳。
在许多采访当中，马蒂尼斯都提到一本对他影响颇深的书《从零到一》。
这是一本商业哲学的书，其核心观点可以总结为：未来的进步在于“垂直进步”，即从0到1的创造，而非“水平进步”，即从1到多的复制。
对马蒂尼斯而言，他在量子物理学的发现与实践也是从零到一的过程。
40年前，马蒂尼斯还是个博士研究生，但那个改变他职业生涯的实验就已成形。
时年27岁的马蒂尼斯师从克拉克——一个探索超导体的量子特性、风格稳健的导师，目睹他对待测量一丝不苟，实验室里电线盘绕整齐，仪器标签清晰，他对精准的着迷，让伯克利的低温实验室成为物理学中最精密的测试场所。
也是在这里，马蒂尼斯认识了32岁的博士后研究员米歇尔·H·德沃雷特，后者喜欢问“如果……会怎样？”——这个问题能激发新的想法，也能让实验在无数次失败后依然保持活力。
图为米歇尔·H·德沃雷特
马蒂尼斯负责建造、调试设备，直到它完全按照实验设计的需求运行，对工程和技术十分敏感。
他们的目标看似简单：探究宏观系统是否能像量子系统一样运作。
他们的发现令人震惊。
量子力学的奇异之处在于它完全打破了我们对“常识”的认知。在微观世界中，粒子可以在没有足够能量的情况下，穿越一个原本不可能跨越的障碍。这个看似“不可能”的现象被科学家们称为量子隧穿，它使得电子、原子等微小粒子能够实现“穿墙”——出现在屏障的另一侧。
然而随着量子规模扩大到一定值，穿墙术会失效，变得像宏观世界当中的网球一样，碰到墙壁就遇阻反弹。
量子力学中的隧道效应
而在实验室里，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特与约翰·马蒂尼斯所做的突破，正是将这种“量子穿墙术”转化为可以在肉眼可见的世界中观察到的现象。
在他们的实验中，一个尺寸约为一厘米的芯片上的超导电路，竟然像一个“巨型原子”一样，展现了量子力学的最奇异特性——能量量子化和量子隧穿。
由数十亿个协同作用的库珀对（注：两个电子在特定条件下结成对）组成的超导电路可以从一种能态“隧穿”到另一种能态，从而在本不该存在电压的地方产生电压——这就像电路穿过了一堵看不见的墙。
在普通的导体中，电子之间会相互碰撞，同时也会与导体材料发生碰撞。当一种材料变成超导体时，电子会成对结合，形成库珀对，并且形成一种没有电阻的电流。库珀对可以表现得像一个单一的粒子，充满了整个电路
理论物理学家安东尼·莱格特指出：“这表明，量子世界的奇异行为不会随着规模的扩大而消失。”这一洞见彻底改变了量子研究，将微观世界的量子物理学规则带入了宏观世界的电路和电线当中，不仅打破了微观与宏观之间的界限，还为量子计算机的开发奠定了基础。
科学家可以据此发明“人造原子”作为量子器件的原型，这些器件可以通过操纵能量来处理信息——马蒂尼斯此后正是利用这一原理创造了“超导量子比特”，即量子计算机的基本单元，为开发“下一代数字技术”铺路。
拿了诺贝尔物理学奖不是马蒂尼斯唯一的人生高光。
在此之前，他更为人熟知的身份是谷歌量子计算机研发团队的领导者。2014年，他带着团队加入了谷歌量子人工智能实验室，着手开发量子计算机。
2019年，马蒂尼斯团队成功研发了名为Sycamore的量子处理器，并发表了一篇标志性的论文，宣布Sycamore在约200秒内完成了一项经典超级计算机需要1万年才能完成（或实际上无法在合理时间内完成）的计算任务，由此实现了“量子霸权”。
Sycamore量子处理器
量子霸权是理论物理学家约翰·普雷斯基尔提出来的说法，说的是：在特定任务上，量子计算机的性能压倒性地超越了传统计算机，甚至超越了传统超级计算机。概括地说，就是证明量子机器能做传统机器做不到的事情。
这一消息不仅震惊了刚刚起步的量子计算行业，也震动了整个科学界。许多人曾预计，实现“量子霸权”还需要几年甚至几十年的时间。
尽管“量子霸权”这一术语引发了IBM等竞争对手的非议——认为谷歌夸大了传统计算机模拟该任务所需的时长，声称优化算法可以在更短的时间内完成——但马蒂尼斯团队的实验仍被认为是量子计算从理论走向工程实践的里程碑。
然而，“量子霸权”的任务必须专门设计，而不是直接解决一个有实际应用价值的问题，主要作用是“概念证明”，证明量子技术原理的可行性和量子计算的巨大潜力。
马蒂尼斯也不满足于此，而是构建能够真正帮助人类的量子计算机，他知道，实用的量子计算机才可能是行业成功的关键。
谷歌量子计算机示意图
“当我进行基础研究时，知道最终会有一个应用程序、一个设备或一个系统需要构建，这对我来说非常有益。对我来说，这是一个自然而然的过程，我会从最基本的问题开始认真思考，到底我们需要知道什么才能真正让某个东西发挥作用？”马蒂尼斯受访时说。
他补充说，量子计算机实际上有很多实际应用。量子计算机的一个实际用途是帮助研究人员更好地理解化学，这可能会推动从医学到材料科学等各个领域的新进展。
“我考虑将它用于量子化学——这实际上是理查德·费曼最初提出的量子计算机方案——它可以映射分子中电子通过原子相互作用的物理过程，”马丁尼斯说，“这是一个经典难题，你可以利用量子计算机的强大功能来解决这个问题。”
1965年诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼
马蒂尼思相信，量子计算机也有潜力帮助研究可持续能源技术，例如更高效的电池，“更好的电池可能会真正改变世界经济”。又或者是优化飞机航线和资源路线，“哪怕是比现在好5%或10%的解决方案，也足以为企业节省大量的资金和成本。这真的很有趣，值得人们去研究。”
他乐观地认为，量子计算最终将惠及越来越多的人，而量子技术有潜力被一系列企业商业化，而不仅仅是大型科技公司。
“我的希望和梦想是，如果我们能建造一台量子计算机，就能真正开始解决这些实际的问题。我们大概知道这应该可行。”他说。
当谷歌宣布实现量子霸权时，谷歌老板桑达尔·皮查伊特别提到了马蒂尼斯的名字，他把这个历史性成就比作莱特兄弟的第一次试飞。
此后仅仅过了半年，马蒂尼斯意外地从谷歌辞职。
在此期间，他被调离领导职位，降为顾问，最终马蒂尼斯离开了谷歌。
他对媒体描述了自己的复杂处境，以及最终决定辞职的原因。
他透露几年来，他所领导的硬件团队内部一直关系紧张，起点就是他们提出要进行量子霸权实验的时候。
马蒂尼斯的个人研究风格强调专注于重要问题，就像量子霸权实验就是一个里程碑，极具挑战性但在他看来仍然可行。但对团队而言，专注却很难。
马蒂尼斯在谷歌实验室前
“我认为团队中的人们很难专注于量子霸权，因为这意味着他们无法从事其他想做的事情，最重要的是，我们可能会失败。”马蒂尼斯描述了团队内的分歧和冲突，“绝对乐观的人很少见……我肯定想创造一台具有特定设计的量子计算机，就想着让我们专注于此，让它发挥作用……我认为我在物理学上的成功正是源于这种特质”。
矛盾的是，“一旦我们实现了量子霸权，就不需要那么高度的专注了，大家自然会想要更多的独立性……看到大家的紧张关系，他们（团队）和管理层认为，最好还是让我不再领导这个项目”。
马蒂尼斯尝试以顾问身份工作了一段时间，他在自己的工作范围里卓有成效，但进行到连接量子比特系统时，不愉快的分歧再次出现。
在这个环节里，以可扩展且成本合理的方式进行设计至关重要，马蒂尼斯与一位“没有实验经验的理论家”意见相左。马蒂尼斯指出，对方的解决方案行不通，但对方不愿意放弃；他转而和管理层哈特·穆特讨论，希望放弃一个在他看来没有意义的项目，但没有得到支持，哈特·穆特希望继续尝试两个项目。
哈特穆特
“我觉得这整整一年的过程让我非常不舒服，我实在无法承受，因为我长期以来一直在做硬件方面的决策。我想我知道让技术朝着明确方向发展的最佳方法。”马蒂尼斯坦言，“我很难过，因为我真的以为我们可以一起创造一些美好的事物，但你知道，事情并不总是如你所愿。”
之后，马蒂尼斯独自离开了谷歌，移居澳大利亚，加入一家量子计算的初创公司SQC。当时，SQC正专注于扩大其技术平台，推进商用量子计算机，而那正是马蒂尼斯在谷歌时一心想做的。
“我选择来到SQC，是因为他们看重原子级制造的独特方法。世界上没有其他人能做到他们的能力。”马蒂尼斯尼斯教授解释自己的选择，“打造一台量子计算机是我毕生的梦想。如果我们能够成功大规模建造一台量子计算机，这将是一项具有巨大影响力的变革性成就，将对人类产生深远的影响。”
量子计算初创公司SQC团队
马蒂尼斯的离职不是一个失意败走的故事，而是一位实验物理学家兼技术工程师寻找发挥其天赋、继续完成其科学使命的新篇章。
10月8日，在接到诺贝尔奖组委会的电话里，马蒂尼斯回忆起40年前，怀念和克拉克、德沃雷特一起相互激发想法、朝着一个目标各自贡献的时光。
尽管离开谷歌，另行打造一台量子计算机充满挑战，但他说自己享受奔着一个明确的目标而思考的过程——我们需要做哪些工作、需要和哪些人合作才能造出一台商业上可行的量子计算机。
在电话最后，马蒂尼斯概括自己沿着“量子计算”一路向前的职业生涯。
无论是40年前为他带来眼前诺贝尔奖的研究，还是加入谷歌带领团队以实验证明“量子霸权”，抑或是出走谷歌，继续打造量子计算机，其实都是追求：在对的时间、对的地方（公司），与对的人，用对的技术一起工作。
作者 |施晶晶
编辑 |向现
值班主编 | 张来
排版 | 阿车
