约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯。图/诺贝尔奖委员会官网
在量子力学诞生百年之际，2025年10月7日，瑞典皇家科学院宣布，将2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯三名量子物理学家，以表彰他们在电路中实现宏观量子力学隧穿效应和能量量子化方面的贡献。
量子力学在1925年诞生，今年正值百年。诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松当天表示，百年来量子力学不断带来新的惊喜，它大有用处，为数字技术提供了基础。
电路中的宏观量子力学隧道效应和能量量子化是什么东西，有什么用，相信很多人仍不知就里，甚至满头雾水。
按照颁奖者的解释，今年的诺贝尔奖获得者在芯片上的实验揭示了量子物理学的实际应用，他们展示了量子力学隧道效应和量子能级可以操控于掌中。
发现微观粒子具有“穿墙术”
简单地看，电路中的宏观量子隧道（隧穿）效应是指宏观物体（如超微颗粒的磁矩或磁通量）表现出穿过能量势垒的量子行为。这种效应在纳米尺度下比较显著，限制了微电子器件的微型化和信息存储设备的信息保存时间。
因此，量子隧道效应，就是指电子等微观粒子能够穿越经典物理学认为不可逾越的能量势垒的神奇特性。这种现象可以通俗地解释为“穿墙术”，在现实的物理世界上是无法实现的，因为电子本来不具备足够能量克服势垒，就如同人不能穿墙而过一样。但在量子世界，电子有一定概率以波的形式穿越势垒，就像挖了一条隧道一样。
能量量子化是量子理论的核心概念之一，由普朗克在研究黑体辐射时提出，指的是，微观系统中能量的变化是以不连续的、离散的最小单位，即量子的形式进行。
就像楼梯的台阶一样，能量只能存在于特定的能级（能量值）上，而不能存在于台阶之间的任意高度。这与经典力学中能量可以连续变化的观念不同。
能量量子化的基本要义是，能量是以最小的基本单位——量子——来传递的。能量的吸收或释放必须是这些能量子的整数倍。
量子力学允许粒子使用被称为隧道效应的过程直接穿过屏障。一旦涉及大量粒子，量子力学效应通常就会变得微不足道。今年获奖者的贡献就在于，通过实验表明，量子力学特性可以在宏观尺度上具体化。
获奖者另一个重要贡献是，过去认为，宏观的粒子状系统最初处于电流流动而没有任何电压的状态。系统被困在这种状态中，仿佛再无法跨越障碍。通过实验，研究者发现，该系统通过隧道效应设法摆脱零电压状态，展示了量子特性。而系统的变化状态是通过电压的出现来检测的。
同时，获奖者还证明该系统的模式是量子化的，这意味着宏观的粒子状系统只吸收或发射特定量的能量。
让微波通信成为可能
宏观量子力学隧道效应和能量量子化在生活和工作中的实际意义在于，它们可应用于半导体设备，如隧道二极管和超导量子干涉器中等。
同时，量子隧道效应和能量量子化不仅是半导体（智能手机、计算机等电子设备的核心部件）的工作原理，也是太阳核聚变产生光与能量的核心机制，并且为半导体、量子计算机、微波通信等未来的技术发展提供关键的理论支撑。
隧道二极管的应用就利用了宏观量子力学隧道效应和能量量子化原理，未来大有前景。隧道二极管，是一种具有负微分电阻特性的半导体器件，目前在生活中，不如整流二极管、发光二极管等常见，但在高速电子设备中具有重要应用，如在射频 (RF) 振荡器、高频开关和变频器中等，都有应用。
而且，隧道二极管在微波通信、雷达系统以及其他高速电子仪器中，也有极为重要的作用，是实现高频信号生成和处理的重要元件。其应用于微波通信，可能是未来生活的另一个发展方向，正如今天的光纤通信一样。
而早在1966年，华裔科学家高锟便发表了题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长途及高信息量光通信所需介质纤维的结构和材料特性。
之后的20世纪70年代，随着半导体激光器和微处理器的出现，光纤技术取得了关键突破，光纤通信快速发展，20世纪80年代光纤通信开始广泛应用于电信行业。今天，我们所有人使用的宽带就是光纤通信成果的应用。为此，高锟与其他两位科学家获得2009年诺贝尔物理学奖。
而现在的宏观量子力学隧道效应和能量量子化，则可能超越光纤通信，发展到微波通信。这是一种综合技术，是将信号以频率在0.3GHz至300GHz的微波作为载体进行通信信号传输。其凭借的理论就是宏观量子力学隧道效应和能量量子化。一旦理论突破并转化到技术，便可以提供更好更快的无线宽带，还可以作为手机、电视、通信卫星的有效信号传递。
研究成果将开创未来生活
量子力学隧道效应，在太阳核聚变中同样作用巨大。
太阳通过核聚变产生的能量会以光子和粒子的形式从太阳的核心向外传输，经过太阳的多个层次后，最终以阳光和微粒动能的形式脱离太阳。太阳核聚变，可以维持地球上包括人在内的所有生命活动，为地球提供光和热，而且太阳核聚变也是永恒而强大的能量源。
太阳核聚变正是要利用量子力学的隧道效应实现，这种效应允许像质子这样的粒子“穿过”能量壁垒。
这个过程不仅使得太阳在相对低的温度下能够发生核聚变，而且其发生的频率限制了聚变的速率，从而保证太阳能够维持数十亿年的寿命。
今年诺贝尔物理学奖表彰的宏观量子力学隧道效应和能量量子化研究的重要成果，将开创人类未来的生活。尽管目前看起来还比较遥远，但在半导体、量子计算机、微波通信、手机等方面的应用，我们已经看见了曙光。
撰稿 / 张田勘（科普作家）
编辑 / 迟道华
校对 / 付春愔
延伸阅读
超导量子计算拿下物理学奖 日本人和华人科学家错失
瑞典皇家科学院10月7日宣布，将2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马丁尼斯，以表彰他们在电路中发现了宏观量子力学隧穿效应和能量量子化。
今年是量子力学理论体系创立100周年，被联合国定为“国际量子科技年”，这很可能影响了瑞典皇家科学院的授奖领域。在人才辈出的量子力学领域，诺贝尔物理学奖委员会为什么选择了这三位美国加州大学教授？记者采访了复旦大学物理学系教授李晓鹏、上海交大李政道研究所凝聚态物理研究部助理研究员应江华。
瑞典皇家科学院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 新华社记者 彭子洋 摄
为超导量子比特奠定基础
“每个学过中学物理的人对电路都不会陌生，这属于经典电学。而如果我们把超导器件做得足够小，就会发生经典电学无法解释的量子效应。”从事量子计算研究的李晓鹏教授告诉记者。
1984—1985年，克拉克、德沃雷特和马丁尼斯利用由超导体构成的电路开展了一系列实验。超导体是一种能够在无电阻情况下传导电流的元件。在电路中，超导元件被一层薄薄的非导电材料隔开，这种装置被称为“约瑟夫森结”。通过改进和测量电路的各种特性，三位科学家能够控制和探索电流通过时产生的特殊现象。
他们观测到了能量量子化现象。“在经典电学中，能量是连续的。而在有量子效应的电路中，能量是离散的，这就是能量量子化。”李晓鹏解释，量子化能级是量子力学的一个基础概念。一个物理量如果不能连续变化，只能取一些分立的值，我们就说这个量是量子化的。好比上台阶，只能上一个台阶，而不能上半个。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化，但在微观世界，许多物理量是量子化的。如氢原子中电子的能量只能取一个基本值——-13.6电子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2倍或1/2、1/3。
他们还观测到了量子隧穿效应。这种效应指的是电子等微观粒子能够穿入或穿越“势垒”的量子行为，尽管“势垒”的高度大于粒子的总能量。在经典力学里，这是不可能发生的事情。而在量子世界中，微观粒子能突破“不可能翻越的能量墙”，以概率形式“穿墙而过”。
这些重要的科学发现，为日后科学家研制出超导量子比特奠定了基础。超导量子比特，是超导量子计算机的基本计算单元。目前，全球最高水平的超导量子计算机是“祖冲之三号”。它由中国科学院院士潘建伟团队研制，集成了105个量子比特，在处理量子随机线路采样问题时，比最快的超级计算机快15个数量级。
这是10月7日在瑞典斯德哥尔摩拍摄的2025年诺贝尔物理学奖公布现场 新华社记者 彭子洋 摄
日本和华人科学家错失诺奖
诺奖作为科学界最高的学术荣誉，向来只奖“从0到1”的原始创新；但众所周知，世界上第一个超导量子比特，出自日本科学家中村泰信和华人科学家蔡兆申的合作实验成果。
因此，此次物理学奖一出，令一些业内人士有些意外。应江华告诉记者，这次3位获奖者，尤其是最后一位马丁尼斯，可以说是在超导量子计算领域“从1到99”的进程中取得显著成就。“从实验转向工程，从科研转向应用，这是不是诺贝尔奖的‘风向’有所改变？”
中村泰信，日本理化学研究所量子计算中心
作为超导量子计算的基本单位，第一个超导量子比特于1999年诞生在日本的实验室里，不过当时也只有1个量子比特，其寿命只有纳秒量级。应江华说，“超导量子计算的天量算力，是随量子比特数量增加，呈现指数级增长的。”然而，特别“烧钱”的量子计算，不能停留在实验室。
在此基础上，马丁尼斯这位工程化的“推手”，带领团队与谷歌公司合作，做出超过50个超导量子比特，首次验证了超导量子计算的“量子优越性”，从实验层面证实了超导量子计算在特定问题上具备经典计算无法企及的算力优势。尽管马丁尼斯后续从谷歌离职，但始终深耕量子计算领域，且更注重技术商业化转化。这表明，诺奖开始更多关注那些在实际科学成果转化、技术应用落地中发挥核心作用的研究者。
米歇尔·H·德沃雷，美国耶鲁大学、美国加利福尼亚大学
至于第二位获奖者德沃雷特，其核心贡献正契合诺贝尔委员会的颁奖词——“因在超导电路中发现宏观量子力学隧穿效应与能量量子化现象”，这一发现为固态量子信息科学奠定了关键实验基础。
这为解决超导量子比特的核心瓶颈——相干时间（即量子比特“存储量子信息的寿命”）提供了关键技术路径。科普地讲，正因为有它，量子比特的“寿命”从转瞬即逝的纳秒级别，提升到毫秒级别。利用量子电动力学原理实现对量子比特量子态的高效操控、高保真度读取与低噪声隔离，成为当前主流超导量子计算平台（如 IBM、谷歌量子处理器、祖冲之号等）的技术基石。
约翰·克拉克，美国加利福尼亚大学
应江华说，“作为今年物理学奖的第一位得主，克拉克是德沃雷特和马丁尼斯的导师，相关的宏观量子效应和电路量子化等研究为超导量子计算铺平了道路。”克拉克在超导和超导电子学方面作出了重大贡献，特别是在超导量子干涉装置，即一种超灵敏的磁通量探测器的开发和应用方面。这同样表明，诺贝尔物理学奖高度重视科学成果的转化与应用。
值得一提的是，由中国企业家捐资亿元设立的2021年度“墨子量子奖”曾授予3位科学家，以表彰他们在开创超导量子电路和量子比特方面的领导作用，分别是克拉克、德沃雷特、中村泰信。这一次，前两位科学家均获诺奖，唯独中村泰信与之错失。
