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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。\n 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，而不能连续取值。
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，我国“祖冲之三号”在超导量子领域已达到全球领先水平。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。
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