三位科学家因将量子奇异性引入现实世界荣获2025年诺贝尔物理学奖

三位科学家通过实验证明了量子力学的奇特规则可以控制普通电路——这一发现后来使得量子计算机成为可能——因此获得了2025年诺贝尔物理学奖。

瑞典皇家科学院授予约翰·克拉克（加州大学伯克利分校）、米歇尔·德沃雷特（耶鲁大学）和约翰·马蒂尼斯（前谷歌量子人工智能实验室）“因发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量化而获奖”。

经过20世纪70年代末和80年代的研究，三人证明，在绝对零度附近冷却的超导环可以表现得像超大的人造原子一样——在离散能级之间跳跃，并“隧穿”障碍，这种现象曾被认为仅限于亚原子粒子。

他们的研究成果将理论上的好奇心转化为了实用的硬件。通过证明量子行为可以被设计，他们奠定了基础超导量子比特，这是目前谷歌、IBM等公司制造的量子计算机原型所使用的核心组件。

在克拉克、德沃雷特和马蒂尼斯进行实验之前，量子力学——不确定性、隧穿和叠加的物理学——是科学家能够观察只有在原子或光子这样的微小系统中才会出现的现象。没有人知道这些效应是否能在足够大的物体中存在以建立一个电路。

他们证明的是你可以设计一个电路——导线、环路、约瑟夫森结——仍然具有量子力学行为。这些电路可以以量子态保存信息，这正是量子比特的特点。（A量子比特量子比特（Quantum Bit）是量子计算机中信息的基本单位。与非0即1的经典比特不同，量子比特可以存在于“叠加”两种状态，使量子机器能够同时处理多种可能性。）

如果没有制造量子电路的能力，就不会有量子计算机。这些实验将看不见的量子世界与实验室台面上的实体设备连接起来。

“我完全惊呆了。当然，我从来没有想过这会成为诺贝尔奖的依据。”克拉克在诺贝尔新闻发布会上通过电话表示：“我正在用手机说话，我怀疑你也是这样，而手机能正常工作的根本原因之一就是因为所有这些工作。”

三人将平分1100万瑞典克朗（约合117万美元）的现金奖励。

数十年酝酿的奖项

认可大致到达原作问世四十年后，这反映出诺贝尔委员会倾向于等到一个想法的影响力完全显现后再颁发。诺贝尔物理学奖通常颁发得比较晚：

• 2017年引力波探测奖是对20世纪70年代开始的研究的延续。

• 2020年黑洞奖的获奖者可以追溯到20世纪60年代的理论。

• 甚至爱因斯坦1921年的奖项也引用了1905年的一篇论文。

这 长滞后模型与其说是一座“终身成就奖杯”，不如说是对一个想法真正重塑一个领域的肯定。在这个案例中，曾经看似小众的“宏观”电路中的量子效应，如今已成为价值数十亿美元的量子技术产业的支柱。

过去几年，超导量子比特机器已经完成了早期的化学模拟和密码测试，这标志着一个曾经深奥难懂的物理学分支如今已为实际设备提供动力。认识到它的实验根源，更进一步表明，当今的“量子热潮”建立在模拟时代艰苦的低温和电路设计工作之上。

选择是备受期待和欢迎一些观察家认为量子纠错码背后的理论家可能会分享这一舞台，但几乎没有人质疑克拉克、德沃雷特和马丁尼斯提供了电路可以量子化的基本证据。

更大的图景

量子计算既带来了威胁和一个机会用于加密。一方面，强大的量子机器最终可能破解当今的公钥密码学—RSA和椭圆曲线算法确保比特币钱包、区块链签名和互联网交易——通过分解大数或解决离散对数问题，速度比传统计算机快得多。

另一方面，量子原理也使得后量子密码学（抵抗量子攻击的经典算法）和量子密钥分发，它使用纠缠来检测窃听并保证可证明的保密性。

通过庆祝连接量子和经典领域的实验，学院重申了一个熟悉的诺贝尔主题：将悖论转化为实践最初在教科书中被称为“量子奇异性”的东西，如今却成为了价值数十亿美元的新兴产业的基础。