2025年諾貝爾物理學獎授予三位在量子工程領域做出開創性貢獻的科學家——約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬蒂尼斯。他們因首次在人造電路中觀測到宏觀量子現象而獲此殊榮，這項突破不僅深化了人類對量子力學邊界的理解，更為量子計算技術的實用化奠定了基礎。

量子力學自上世紀初誕生以來，主要應用于原子、電子等微觀粒子的研究。盡管其理論框架已高度成熟，并在半導體、激光等領域催生出革命性技術，但科學家始終面臨一個核心問題：量子規律是否適用于宏觀尺度？傳統觀點認為，隨著物體尺寸增大，量子效應會因環境干擾迅速消失，但三位獲獎者的研究徹底改變了這一認知。

他們的實驗核心是超導電路中的約瑟夫森結——一種由兩層超導體夾持納米級絕緣層構成的元件。在極低溫條件下，庫珀對（超導電流的載體）能通過量子隧穿效應穿越絕緣層，形成宏觀可觀測的電流。研究團隊通過精密設計濾波電路和稀釋制冷技術，將系統溫度降至接近絕對零度，成功捕捉到約瑟夫森結相位差的宏觀量子隧穿現象。這一過程類似于微觀粒子穿越勢壘，但發生在由數以億計電子組成的宏觀系統中。

為驗證實驗結果，團隊借鑒原子光譜測量方法，用微波電磁波激發電路，觀測到分立的量子化能級——這是微觀原子才具備的特征。這一發現證明，通過工程手段構建的人造系統，同樣能嚴格遵循量子力學規律。該成果被《科學》雜志評價為“打破了經典與量子世界的尺度界限"，相關電路被稱為"人造原子"，成為首個宏觀量子器件。

宏觀量子電路的突破引發了量子工程領域的革命。超導量子比特作為人造原子的升級版，通過集成多個約瑟夫森結，實現了更復雜的量子態操控。目前，科學家已能在實驗中完成量子比特的初始化、邏輯門操作和遠程糾纏，并執行簡單計算任務。然而，要構建實用化量子計算機，仍需解決量子糾錯、系統集成等挑戰。耶魯大學團隊開發的電路量子電動力學體系，通過光子與人造原子的耦合，為量子信息處理提供了新路徑。

這項研究的科學意義遠超技術層面。上世紀八十年代，理論物理學家安東尼·萊格特提出，真正驗證宏觀量子力學需觀測宏觀變量的無歧義量子行為，而非微觀機制的累積效應。三位獲獎者的實驗精準回應了這一挑戰，其設計的非線性勢阱和偏置電流測量機制，為后續研究樹立了標桿。正如克拉克在總結論文中所述："我們的系統雖包含大量原子，卻擁有類似單個原子的單一量子自由度。"

隨著研究深入，量子力學的邊界問題愈發引人深思。2000年后，多個實驗室在超導電路中觀測到宏觀量子相干現象，進一步證實了量子規律在宏觀尺度的有效性。但科學家仍在探索其極限——當系統復雜度提升至百萬量子比特級別時，現有理論是否依然成立？馬丁尼斯指出："大型量子計算機是檢驗量子理論的終極工具，我們可能通過它發現新物理。"

當前，量子計算已從學術研究邁向工程實踐。谷歌、IBM等企業投入巨資開發超導量子處理器，而學術界繼續在量子多體物理、精密測量等領域拓展應用。正如德沃雷在法蘭西學院就職演講中強調："人造量子系統不僅是技術工具，更是探索自然基本規律的實驗室。"這場始于微觀世界的革命，正在重新定義人類對物質本質的認知邊界。