瑞典皇家科學(xué)院近日宣布，將2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位科學(xué)家——約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰·馬丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他們?cè)陔娐分袑?shí)現(xiàn)宏觀量子隧穿與能級(jí)量子化方面的突破性貢獻(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了人類對(duì)量子力學(xué)在宏觀尺度應(yīng)用的理解，也為量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

量子力學(xué)通常被認(rèn)為是微觀世界的法則，但宏觀量子現(xiàn)象的存在卻挑戰(zhàn)了這一傳統(tǒng)認(rèn)知。超導(dǎo)和超流作為典型的宏觀量子現(xiàn)象，分別源于玻色子和費(fèi)米子的量子行為。玻色子（如氦4原子）在低溫下會(huì)形成玻色-愛因斯坦凝聚，導(dǎo)致超流現(xiàn)象；而費(fèi)米子（如電子）則通過形成庫(kù)珀對(duì)（近似玻色子）實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性。這些現(xiàn)象的描述依賴于一個(gè)稱為“序參量”的宏觀波函數(shù)，其相位變化直接驅(qū)動(dòng)了超流和超導(dǎo)的物理特性。

約瑟夫森效應(yīng)是宏觀量子現(xiàn)象的重要體現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)超導(dǎo)體被絕緣層隔開時(shí)，它們宏觀波函數(shù)的相位差會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)電流穿過絕緣層，電流強(qiáng)度與相位差的正弦函數(shù)成正比。這一效應(yīng)由劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森在1962年通過多體微觀理論預(yù)測(cè)，并成為后續(xù)量子研究的關(guān)鍵工具。然而，早期的超導(dǎo)和超流現(xiàn)象并未完全證明量子力學(xué)在宏觀尺度上的直接應(yīng)用，因?yàn)槿狈暧^狀態(tài)間的量子疊加證據(jù)。

1985年，加州大學(xué)伯克利分校的克拉克教授帶領(lǐng)馬丁尼斯和德沃雷，首次在偏電流約瑟夫森結(jié)中觀察到量子化的能級(jí)結(jié)構(gòu)。他們通過微波輻照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微波頻率與能級(jí)差匹配時(shí)，約瑟夫森結(jié)的逃逸率顯著增加，證明相位差是一個(gè)量子力學(xué)算符。這一實(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)證了約瑟夫森結(jié)的量子行為，還表明可以通過電路對(duì)其進(jìn)行精確控制，為后續(xù)量子計(jì)算研究鋪平了道路。

1990年代，隨著量子計(jì)算研究的興起，超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)成為實(shí)現(xiàn)量子比特的重要平臺(tái)。超導(dǎo)量子比特分為電荷量子比特、相位量子比特和磁通量子比特等多種類型，其核心在于通過控制充電能和約瑟夫森能的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的疊加和操控。1998年，德沃雷團(tuán)隊(duì)證明了電荷量子比特疊加態(tài)的存在；1999年，日本NEC實(shí)驗(yàn)室的中村泰信團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了電荷量子比特的拉比振蕩；2002年，德沃雷團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)出電荷-磁通混合量子比特，顯著提高了量子態(tài)的穩(wěn)定性。

超導(dǎo)量子比特的進(jìn)展不僅限于單量子比特。2000年，紐約州立大學(xué)石溪分校和代爾夫特理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)分別在超導(dǎo)環(huán)中實(shí)現(xiàn)了磁通量子比特的疊加態(tài)；2003年，代爾夫特團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了磁通量子比特的拉比振蕩和讀出。這些研究為多量子比特耦合和量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。近年來，基于超導(dǎo)量子電路的量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)已成功實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)入新階段。

置于微波腔中的超導(dǎo)量子電路還催生了電路量子電動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的腔量子電動(dòng)力學(xué)相比，電路量子電動(dòng)力學(xué)的量子門和讀出速度快了1000倍，盡管退相干時(shí)間也相應(yīng)縮短，但其高效的數(shù)據(jù)獲取能力使其成為量子計(jì)算研究的重要方向。