助力量子计算机实现的发现荣获诺贝尔物理学奖

三位先驱因展示芯片上的量子效应而获得表彰

2025年10月7日，瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖授予 John Clarke、Michel H. Devoret 和 John M. Martinis，以表彰他们通过实验将量子力学从原子领域带入宏观电路——这一突破为当今的超导量子比特和现代量子计算产业奠定了基础。(nobelprize.org)

为什么这个奖项很重要

众所周知，量子力学支配着原子、电子和光子。几十年来，一个悬而未决的问题是：一个系统可以达到多大规模，却仍能表现出真正的量子行为，例如在经典禁态之间的隧穿，或拥有离散的、量子化的能级？诺贝尔委员会表彰了20世纪80年代的一系列实验，这些实验在足以握在手中的电路中演示了这些效应——这是使量子现象在工程设备中得以应用的关键一步。(nobelprize.org)

获奖者们究竟做了什么

三位获奖者对围绕约瑟夫森结（夹在超导体之间的薄绝缘层）构建的电路进行了测量。当冷却到毫开尔文温度时，这些设备支持集体自由度（本质上是电路变量），其行为就像量子粒子。实验表明，电路可以从零电压状态隧穿到有限电压状态，并且这些设备仅在离散能量下吸收微波，揭示了量子化能级。这些观察结果证实，宏观电路可以表现出曾经被认为仅限于原子的量子规则。(sciencenews.org)

从实验室的好奇心到量子比特

从演示到应用的飞跃，正是这项工作具有如此重要影响的原因。约瑟夫森结实验中所利用的物理原理，为许多研究小组和公司使用的微型电路型量子位——超导量子比特奠定了基础。超导量子比特将量子信息编码在电路的集体电变量中；它们依赖于创建和控制离散能级的能力，以及保持相干叠加足够长的时间以进行计算的能力。简而言之，获奖者们将一种概念上的可能性转化为了实用的硬件原理。(nobelprize.org)

数十年的发展历程

在最初的观察之后，该领域经历了稳步的完善：更好的材料、改进的制造工艺以及巧妙的电路设计，这些都增加了相干时间并实现了双量子比特门。John Martinis 始终是超导量子处理器实际开发中的核心人物，后来领导了一项备受瞩目的努力，旨在演示“量子优越性”——即量子设备执行经典超级计算机无法完成的任务的转折点。Michel Devoret 继续挑战基础实验与工程量子硬件之间的界限，为控制和测量超导电路的技术做出了贡献。John Clarke 早期的精密实验和探测器开发也影响了该领域的发展轨迹。总之，他们的贡献涵盖了从基础物理学到目前正在商业化开发的各种技术。(sciencenews.org)

量子计算现状

超导量子比特是几种领先的硬件方案之一。它们已经演示了日益复杂的算法、数十个量子比特之间的纠缠，以及针对经典机器难以完成的计算任务的特定演示。然而，重大障碍依然存在：目前的设备噪声较大，量子比特数量需要提高几个数量级，并且运行许多有用的应用程序需要实现可靠的纠错。诺贝尔奖认可的发现确立了硬件范式，但将该硬件扩展为容错、通用的量子计算机仍是一个正在进行的工程和科学挑战。(theguardian.com)

更广泛的影响：传感器、密码学及其他

除了计算之外，源自这些实验的技术还催生了超灵敏的探测器和传感器——例如，探测微弱磁场的超导设备，其应用范围从基础物理学到医学成像。量子处理器的兴起也引发了对网络安全的关注：强大的量子机器有朝一日可能会威胁到传统的公钥加密，从而加速了全球在抗量子密码学方面的工作。诺贝尔奖引文中明确指出，获奖者的发现为量子密码学、传感器和计算开启了机遇。(nobelprize.org)

该奖项对该领域意味着什么

诺贝尔奖不仅认可一项发现，还认可其长期意义。授予宏观量子隧穿这一奖项，肯定了从基础好奇心到技术平台的转变——这一转变正在全球实验室和初创公司中开花结果——是20世纪末和21世纪初具有定义意义的科学发展之一。该决定还强调了实验控制和低温工程的进步如何重塑了量子科学的可能性。(nobelprize.org)

遗留问题与前路

即使获得了诺贝尔奖的认可，该领域也远未成熟。关键的研究领域包括提高相干时间、设计可扩展且高效的纠错方案、改进材料和制造工艺以减少损耗和噪声，以及寻找量子处理器在经济意义上优于经典替代方案的“杀手级应用”。进展正在加速，但将约瑟夫森结中的物理原理转化为广泛应用的、容错的量子计算，仍需学术界、工业界和国家实验室的持续努力。

结语

2025年诺贝尔物理学奖表彰了一系列实验，这些实验将量子力学的框架从关于微观世界的抽象理论改变为可以工程化、规模化和产品化的技术平台。这种转变——在可以握住的电路中展示量子隧穿和量子化能量——是当代量子生态系统的基石之一。随着研究人员着手解决下一系列工程问题，获奖者的工作将始终是量子物理学如何从思想实验走向设备这一历程中的基础篇章。