电路竟能“穿墙而过”？诺奖三巨头太炸了，让量子力学玩出花！

景点排名 2025年10月10日 05:51 1 admin

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文 |昕昕

前言

说起量子力学，那可是妥妥的"玄学担当"，网友常调侃："遇事不决，量子力学；解释不通，穿越时空。"这话虽然是段子，但确实抓住了量子力学的精髓——它在微观世界里无所不能，可一到咱们肉眼能看见的宏观世界，立马就"拉胯"了。

但是今年诺奖三位大佬愣是把这事儿给办成了，他们让数十亿个电子组成的宏观电路，玩起了"穿墙术"——也就是量子隧穿效应。

这事儿就好比你看见一辆大巴车直接穿过收费站栏杆，司机还淡定地跟你说："这很量子力学。"

超导和超流：量子世界的"团队作战"

在讲三位大佬的成就之前，咱得先搞清楚超导和超流是啥玩意儿。

简单说，量子粒子分两帮：玻色子和费米子，玻色子就像佛系青年，大家都能挤在同一个状态里不打架；费米子呢，像社恐患者，必须保持社交距离，任何两个不能处于相同状态。

氦4原子是玻色子，温度降到极低时，所有原子都挤到最低能量状态，形成"玻色-爱因斯坦凝聚"，结果就是超流——液体没有黏性，能爬墙能钻缝，简直是流体界的"蜘蛛侠"。

而电子是费米子，但它们有个骚操作——两两配对形成"库珀对"，摇身一变成了类玻色子。

这帮库珀对凝聚在一起，就产生了超导——电流在材料里跑，零电阻！这就是为啥超导磁悬浮列车能飘起来，看着特别科幻。

超导有个神奇的性质：可以用一个"宏观波函数"来描述，它有个关键参数叫"相位"。

剑桥大学研究生约瑟夫森当年上课时灵光一现，发现如果把两块超导体用绝缘体薄层隔开，两边的相位差能直接驱动电流穿过绝缘层——这就是约瑟夫森效应。

但问题来了：这个相位在大系统里其实是个经典变量，不够"量子"。

直到人们发现，如果约瑟夫森结足够小，相位和粒子数都会变成量子算符，它们之间就像位置和动量一样，谁也不服谁，符合海森堡不确定性原理。

第一次抓住"薛定谔的猫"

1985年，伯克利的Clarke教授带着两个学生Martinis和Devoret，干了件大事，他们用微波照射约瑟夫森结，发现当微波频率刚好等于能级差时，结两端的电压和电流"嗖"地飙升——这是量子共振！就像你唱歌唱到玻璃杯的固有频率，杯子就碎了一样。

这个实验第一次证明，约瑟夫森结的相位差不是个普通变量，而是个实打实的量子算符！

它的能量被量子化了，就像爬楼梯只能一阶一阶上，不能停在半空中，这可是宏观电路首次展现出纯粹的量子行为！

Clarke因此两年后就拿了低温物理大奖，三位合作者几十年后又一起捧回了诺奖。

1990年代，量子计算开始火起来，当时大家觉得，光子、离子、原子这些"纯净"的系统才适合做量子比特，固态系统？太复杂了，自由度太多，肯定不行。

结果打脸来得飞快，约瑟夫森结这种"人造原子"有个巨大优势：你可以用电路精细调控它，想调啥参数调啥参数，比摆弄真原子方便太多了。

而且容易跟现有技术整合，方便"量产"。

超导量子比特主要有两大流派

电荷量子比特：充电能占主导，库珀对数目比较确定，相位涨落大。

1999年，日本NEC的中村泰信团队第一个实现了量子叠加态，虽然相干时间只有2纳秒（眨眼功夫的百万分之一），但脉冲时间只要100皮秒，够快！

相位量子比特：约瑟夫森能占主导，相位比较确定，粒子数涨落大，这就是Clarke他们1985年研究的那个系统。

2002年，韩思远组和Martinis组都观察到了拉比振荡——量子比特在两个状态之间有节奏地摇摆，就像钟摆一样。

与此同时，Devoret组搞了个"quantronium"，把电荷和磁通的优点结合起来，既对噪声不敏感，又方便读出，简直是"鱼和熊掌兼得"。

从2纳秒到量子霸权：一路狂飙

这几十年来，超导量子比特的相干时间从2纳秒提升到了几十微秒甚至更长。

双量子比特、多量子比特的耦合也陆续实现，到最近，谷歌和中科大用几十个量子比特实现了"量子优越性"——也就是在特定问题上，量子计算机比经典计算机快得多。

虽然现在的量子计算机还是个"半成品"，但从1985年那个2纳秒的量子共振，到今天能做实际计算的量子芯片，这条路走得相当硬核。

结语

Clarke、Martinis和Devoret的贡献，就像是给量子力学开了一扇门——原来，量子的"鬼魅"行为不是微观粒子的专利，咱们也能在宏观电路里看到它、摸到它、用它。

从首次观察到约瑟夫森结的量子行为，到实现各种超导量子比特，再到今天量子计算蓬勃发展，这三位大佬功不可没。

所以下次再听到"遇事不决，量子力学"这话，你可以骄傲地说："量子力学可不是玄学，人家都拿诺奖了！"

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