作者：Frank Wilczek
翻译：胡风、梁丁当
2025年诺贝尔物理学奖被授予了约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel H.Devoret）和约翰·马丁尼斯（John M.Martinis），以表彰他们“在电路中发现宏观量子隧穿和能量量子化”的突破性贡献。这三位科学家在1984年至1985年间合作完成了一系列开创性的实验。
在大众用语和流行文化中，“量子跃迁”常被用来形容巨大的变化。然而在自然界中，单个量子跃迁往往微小又难以预测。而今年的诺贝尔物理学奖，正是颁给了在电路中实现了可控且可观测的量子跃迁的科学家。他们的工作，为构建一种新型计算机——量子计算机——的主要技术路径奠定了基础。最终，量子计算机有望显著地降低化学与材料设计中的盲目性。尽管量子计算的巨大潜力尚未完全实现，但受克拉克（Clarke）、德沃雷（Devoret）和马丁尼斯（Martinis）启发的超导电路方法近年来取得了惊人进展，目前在量子计算领域处于领先地位。
什么是量子隧穿？
要领会诺贝尔奖委员会的颁奖词，我们需要理解其强调的量子理论的两大核心概念：量子隧穿与能量量子化。
什么是量子隧穿？我将通过一个非常重要的例子来回答这个问题。
太阳通过“燃烧”核燃料来获取能量。其能量释放的过程涉及核聚变——即两个分开的原子核合并形成一个更大的原子核。其中最基本的反应，是两个质子结合成一个质量较小的原子核。具体来说，两个质子会结合形成一个氘核，同时释放出一个中微子和一个正电子。由于氘核的质量小于两个独立的质子质量之和，根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，这个合并过程会释放出能量。
要发生核聚变，两个质子必须极度靠近。然而，由于质子带正电荷，它们之间存在电磁排斥力。即使在温度高达约1500万摄氏度的太阳核心，质子的动能也不足以克服这种排斥作用。
幸运的是，量子隧穿在此发挥了关键作用。根据量子理论，我们不能把质子简单地理解为具有确定位置、并遵循经典力学轨迹的质点。事实上，质子的位置需用一个在空间中延展的概率“波”来描述。这个波能够渗入——或者说“隧穿”—— 那些在经典物理看来因能量不足而绝对无法进入的区域。所以，量子特性使得粒子能够跨越看似不可逾越的障碍。正是量子隧穿，让太阳内部的波动质子能够克服彼此间的排斥力发生聚变，释放出阳光。倘若没有这一效应，地球将是一片寒冷而缺乏生机的世界。
量子隧穿是很多物理学、化学和生物学现象的核心。多个相关成果得到了诺贝尔奖的垂青。比如，1973年物理学奖授予江崎玲于奈、贾埃弗和约瑟夫森，以表彰他们发现了固体中的量子隧穿现象；1986年物理学奖则授予宾宁和罗雷尔，以表彰他们发明了扫描隧道显微镜🔬。1992年与2013年的诺贝尔化学奖，则对电子隧穿在分子及酶催化反应中所起的作用表示了认可。
为什么量子隧穿能成为众多诺贝尔奖关注的焦点？本质上，是因为它将绝对不可能发生的事件转变成了小概率事件。有趣的是，量子隧穿的这种微弱性和脆弱性，反而是它威力与多样性的来源，因为条件的微小变化就能引发隧穿率的剧烈改变。科学家们利用这一点，造出了能对环境微弱变化做出响应的各种传感器和调节器。而生物在进化的过程中，早已掌握了这一技巧。比如活细胞中的酶能够通过调控隧穿率，来催化化学反应，进而驱动新陈代谢和生理活动。
未来的诺贝尔奖可能源于哪些方面的突破？
我预期，未来的诺贝尔奖将源于以下几方面的突破：对量子隧穿时空动力学的深入理解，对其在光合作用中潜在角色的揭示，以及利用其威力和多样性发明的新型器件。这些进展使得人类工程更趋近于生命系统的运作模式，从而变得更具多样性和高效性。
能量量子化是量子理论的基石，是由普朗克、爱因斯坦和玻尔等物理学家共同揭示的。在氢原子中，质子和电子通过电荷吸引力束缚在一起。如果我们把它视为经典粒子，那么它的能量是连续变化的。然而实际上我们只观测到一系列分立的能级。这一现象可以用量子波来解释。这个解释像音乐一样优美：正如铃铛只能发出特定的音调，电子-质子系统的也遵循分立的模式振动，每种模式都具有其特定的能量。原子只能通过从一种振动模式跃迁到另一种模式，以一份份确定的能量单位——量子——与外界交换能量。
其他原子、分子、材料，甚至由夸克和胶子组成的“基本”粒子都是量子波，只是种类不同, 展现出不同的振动模式。但它们全都遵循着相同的音乐框架，如同自然界交响乐团中的不同乐器。
在波粒二象性的概念被完全理解之前，玻尔通过假设“允许的”轨道来解释量子化。在这个早期量子理论中，能量的变化表现为轨道间突然的量子跃迁。而在现代量子理论中，系统随时间的演化是连续的，尽管有时演化速度极快，但并不存在真正的跃迁——只有波的移动与干涉。但量子跃迁这一描述非常生动形象，也并非完全错误，所以我们无需摒弃它。
理解了量子隧穿和能量量子化这两个核心概念，我们便能真正领会约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯的成就。在先前提到的所有自然场景中，“量子跃迁”所涉及的，都是非常微小的天然系统与极少的能量。而这三位科学家的研究表明了：量子隧穿和能量量子化，同样会发生在涉及数十亿电子集体运动的电流中。他们构建了具有这些效应的超导电路——宏观的量子系统。实现它绝非易事。他们必须在接近绝对零度（仅高出千分之几度）的极低温环境下操作，以隔绝外界干扰，并放大微弱的信号。在克服这些挑战的过程中，他们引入了多项创新技术，为后来者开拓了一条可供追随并不断拓宽的科研道路。
量子理论告诉我们，在精细的时空尺度上去观察世界，它是一个由永不停歇的波动粒子构成的奇妙王国。然而，在人类肉眼可见的宏观尺度上，这些精微的量子细节大多被平均化而隐没不见。超导电路的出现，让这些被隐藏的量子特性得以重现。它们让我们 “看见”世界的真实面貌——或许未来还能建造出具备同样能力的计算机。如今，即使是最奇异的量子特性，也正从神秘的理论转化为我们可以操控的工具。借用宇航员尼尔·阿姆斯特朗的经典名言稍加改述：这对电流而言只是一小步，但对人类来说却是一次巨大的飞跃。
