◎ 科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

2025年是人類量子力學(xué)誕生一百周年。量子力學(xué)描述的尺度揭是什么？是在單個(gè)粒子尺度上才“顯現(xiàn)”的物理特性。在量子物理學(xué)中，示量這些現(xiàn)象比光學(xué)顯微鏡所能觀測(cè)到的特性還要小得多，它們被稱為“微觀”現(xiàn)象。解讀

這與由大量粒子構(gòu)成的年諾“宏觀”現(xiàn)象形成對(duì)比。例如，物理一個(gè)日常生活中常見的學(xué)獎(jiǎng)球，由分子組成來描述的人類話就是天文數(shù)字級(jí)別的，它不會(huì)表現(xiàn)出任何量子力學(xué)效應(yīng)。尺度揭人們都知道，示量每次把球扔向墻壁，特性它都會(huì)反彈回來。解讀然而，年諾一個(gè)單獨(dú)的物理粒子在其微觀世界中，有時(shí)卻能直接穿過類似墻的障礙，出現(xiàn)在“墻”的另一側(cè)。這種量子力學(xué)現(xiàn)象被稱為“隧穿”。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰了那些在宏觀尺度上、涉及大量粒子的情況下，成功觀測(cè)到量子隧穿現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)。1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯三位科學(xué)家在美國加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了一個(gè)包含兩個(gè)超導(dǎo)體的電路。超導(dǎo)體是能夠以零電阻傳導(dǎo)電流的材料，這兩個(gè)超導(dǎo)體之間由一層完全不導(dǎo)電的薄材料隔開。但在實(shí)驗(yàn)中，他們證明了可以控制并研究一種現(xiàn)象：超導(dǎo)體中的所有帶電粒子協(xié)同運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)得就像一個(gè)單一的粒子，充滿整個(gè)電路。

這種類粒子系統(tǒng)被束縛在一個(gè)有電流流動(dòng)但沒有電壓的狀態(tài)中。在實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)通過量子隧穿效應(yīng)展現(xiàn)出了量子特性：從零電壓狀態(tài)中逃逸出來，并產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差（電壓）。

與此同時(shí)，今年的三位獲獎(jiǎng)?wù)哌€證明了這一系統(tǒng)的能量是量子化的——即它只能以特定的、分立的量吸收或釋放能量。

什么是隧穿？

為了開展研究，三位獲獎(jiǎng)?wù)呓柚藬?shù)十年來發(fā)展起來的理論概念和實(shí)驗(yàn)工具。

我們知道，量子物理與相對(duì)論共同構(gòu)成了所謂“現(xiàn)代物理學(xué)”的基礎(chǔ)。過去一個(gè)世紀(jì)以來，無數(shù)科研人員一直在探索其深遠(yuǎn)含義。

單個(gè)粒子發(fā)生隧穿的現(xiàn)象，其實(shí)早已為人所知。1928年，物理學(xué)家喬治·伽莫夫意識(shí)到，正是隧穿效應(yīng)導(dǎo)致某些重原子核以特定方式發(fā)生衰變。原子核內(nèi)部各種力的相互作用在其周圍形成了一道勢(shì)壘，將內(nèi)部粒子束縛其中。然而，盡管存在這道勢(shì)壘，原子核的一小部分仍有時(shí)能分裂出來，穿過勢(shì)壘逃逸出去，從而使原來的原子核轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素。如果沒有隧穿效應(yīng)，這類核衰變就不可能發(fā)生。

隧穿是一種量子力學(xué)過程，其中包含著隨機(jī)性。某些類型的原子核具有又高又寬的勢(shì)壘，因此其粒子需要很長時(shí)間才能出現(xiàn)在勢(shì)壘之外；而另一些類型的原子核則更容易發(fā)生衰變。如果人們只觀察單個(gè)原子，那無法預(yù)測(cè)隧穿何時(shí)會(huì)發(fā)生；但通過觀測(cè)大量同種原子核的衰變行為，可以測(cè)量出隧穿發(fā)生的平均時(shí)間。描述這一現(xiàn)象最常見的方法是“半衰期”概念，即樣品中一半原子核發(fā)生衰變所需的時(shí)間。

一個(gè)被勢(shì)壘束縛的量子力學(xué)系統(tǒng)可以具有不同的能量，但它只能吸收或釋放特定數(shù)量的能量。這種特性稱為量子化。在較高能級(jí)時(shí)，隧穿更容易發(fā)生。

物理學(xué)家很快開始思考：是否有可能研究一種涉及多個(gè)粒子同時(shí)參與的隧穿現(xiàn)象？探索新型實(shí)驗(yàn)的一個(gè)方向，源自某些材料在極低溫下出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象。

在普通導(dǎo)電材料中，電流的產(chǎn)生是由于存在可在整個(gè)材料中自由移動(dòng)的電子。在某些材料中，穿過導(dǎo)體的獨(dú)立電子會(huì)變得有序，形成一種協(xié)調(diào)一致的“舞蹈”，毫無阻力地流動(dòng)。此時(shí)材料就變成了超導(dǎo)體，而電子則兩兩結(jié)合成對(duì)。這種電子對(duì)被稱為“庫珀對(duì)”，以萊昂·庫珀命名。他與約翰·巴丁和羅伯特·施里弗共同詳細(xì)描述了超導(dǎo)體的工作機(jī)制（三人因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。

庫珀對(duì)的行為與普通電子完全不同。電子具有很強(qiáng)的“個(gè)體性”，傾向于彼此保持距離——兩個(gè)具有相同性質(zhì)的電子不可能處于同一狀態(tài)。這一點(diǎn)在原子中可以明顯看到，例如電子分布在不同的能級(jí)（即電子殼層）上。然而，當(dāng)超導(dǎo)體中的電子結(jié)成對(duì)后，它們的部分個(gè)體性就消失了；雖然兩個(gè)獨(dú)立的電子總是可區(qū)分的，但兩個(gè)庫珀對(duì)卻可以完全相同。這意味著超導(dǎo)體中的所有庫珀對(duì)可以被描述為一個(gè)整體，一個(gè)統(tǒng)一的量子力學(xué)系統(tǒng)。用量子力學(xué)的語言來說，它們具有一個(gè)共同的波函數(shù)。這個(gè)波函數(shù)描述了在給定狀態(tài)下觀測(cè)到該系統(tǒng)的概率及其具有的特定性質(zhì)。

科學(xué)家們的起步

這些課題恰好契合約翰·克拉克的研究。他當(dāng)時(shí)是美國加州大學(xué)伯克利分校的教授，此前于1968年在英國劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位后移居美國。在伯克利，他組建了自己的研究團(tuán)隊(duì)，專注于利用超導(dǎo)體和約瑟夫森結(jié)來探索多種物理現(xiàn)象。

到20世紀(jì)80年代中期，米歇爾·H·德沃雷特在巴黎獲得博士學(xué)位后，作為博士后加入了約翰·克拉克的研究團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)還包括博士生約翰·M·馬丁尼斯。他們?nèi)斯餐袚?dān)起證明“宏觀量子隧穿”的挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)裝置必須極其精細(xì)，并采取大量措施屏蔽外界干擾。他們成功地優(yōu)化并精確測(cè)量了電路的所有特性，從而能夠深入理解該系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。

為了測(cè)量量子現(xiàn)象，他們向約瑟夫森結(jié)注入一個(gè)微弱的電流，并測(cè)量電壓（電壓與電路中的電阻相關(guān)）。最初，約瑟夫森結(jié)兩端的電壓為零，這符合預(yù)期，因?yàn)橄到y(tǒng)的波函數(shù)被限制在一個(gè)不會(huì)產(chǎn)生電壓的狀態(tài)中。接著，他們研究了系統(tǒng)從該狀態(tài)隧穿出去所需的時(shí)間，一旦發(fā)生隧穿，就會(huì)出現(xiàn)電壓。由于量子力學(xué)本質(zhì)上具有隨機(jī)性，他們進(jìn)行了大量重復(fù)測(cè)量，并將結(jié)果繪制成圖，從中讀取零電壓狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。這種方法類似于通過大量衰變事件的統(tǒng)計(jì)來測(cè)量原子核的半衰期。

三位科學(xué)家構(gòu)建了一個(gè)使用超導(dǎo)電路的實(shí)驗(yàn)裝置。承載該電路的芯片尺寸約為一厘米。此前，隧穿效應(yīng)和能量量子化主要在僅含少數(shù)粒子的系統(tǒng)中被研究；而在此實(shí)驗(yàn)中，這些量子現(xiàn)象出現(xiàn)在一個(gè)包含數(shù)十億個(gè)庫珀對(duì)的宏觀量子系統(tǒng)中，這些庫珀對(duì)遍布整個(gè)芯片上的超導(dǎo)體。因此，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將量子效應(yīng)從微觀尺度推進(jìn)到了宏觀尺度。

這種隧穿現(xiàn)象表明，實(shí)驗(yàn)中那些協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的庫珀對(duì)，表現(xiàn)得就像一個(gè)巨大的單一粒子。當(dāng)科學(xué)家們進(jìn)一步觀察到系統(tǒng)具有分立的、量子化的能級(jí)時(shí)，這一結(jié)論得到了進(jìn)一步證實(shí)。

量子力學(xué)之所以得名，正是源于人們發(fā)現(xiàn)微觀過程中的能量，是以離散的“包”（即量子）形式存在的。今年的三位獲獎(jiǎng)?wù)呦蛄汶妷籂顟B(tài)引入了不同波長的微波，發(fā)現(xiàn)其中某些頻率的微波被系統(tǒng)吸收，導(dǎo)致系統(tǒng)躍遷到更高的能級(jí)。這表明：當(dāng)系統(tǒng)能量更高時(shí)，零電壓狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間更短——這正是量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的結(jié)果。

理論與實(shí)踐意義

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)理解量子力學(xué)具有深遠(yuǎn)影響。以往在宏觀尺度上展示的量子效應(yīng)，通常是由大量微小單元各自獨(dú)立的量子性質(zhì)疊加而成。這些微觀組分共同導(dǎo)致宏觀現(xiàn)象，例如激光、超導(dǎo)體和超流體。然而，這一實(shí)驗(yàn)卻不同：它從一個(gè)本身就具有宏觀性的狀態(tài)，即大量粒子共享的統(tǒng)一波函數(shù)產(chǎn)生了一個(gè)宏觀效應(yīng)——可測(cè)量的電壓。

理論物理學(xué)家安東尼·萊格特曾將獲獎(jiǎng)?wù)叩暮暧^量子系統(tǒng)，與著名的“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)相比較。在該思想實(shí)驗(yàn)中，如果不去觀察，貓就同時(shí)處于“活著”和“死亡”的疊加態(tài)（薛定諤因此獲得1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的初衷是揭示這種狀態(tài)的荒謬性，因?yàn)樵诤暧^尺度上，量子力學(xué)的特殊性質(zhì)通常會(huì)被抹去。人們無法在實(shí)驗(yàn)室中真正展示一只貓的量子疊加態(tài)。

然而，萊格特認(rèn)為，今年三位獲獎(jiǎng)?wù)咚M(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)表明，確實(shí)存在一些現(xiàn)象，其中大量粒子共同表現(xiàn)出量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的行為。盡管由眾多庫珀對(duì)構(gòu)成的這個(gè)宏觀系統(tǒng)在尺寸上仍比一只小貓小好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是整個(gè)系統(tǒng)的整體量子特性，因此在量子物理學(xué)家看來，它與薛定諤那只假想中的貓?jiān)诒举|(zhì)上是相當(dāng)類似的。

這類宏觀量子態(tài)，為人們利用微觀粒子世界規(guī)律進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)提供了新的可能。它可以被視為一種“大型人工原子”——一個(gè)帶有電纜和接口的人工原子，可以連接到新的測(cè)試裝置中，或用于開發(fā)新型量子技術(shù)。例如，這類人工原子可用于模擬其他量子系統(tǒng)，幫助人們理解它們的性質(zhì)。

另一個(gè)實(shí)用例子，則是馬丁尼斯后來進(jìn)行的量子計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)正是利用了他與另外兩位獲獎(jiǎng)?wù)咚芯康哪芰苛孔踊匦浴褂镁哂辛孔踊芗?jí)的電路作為信息載體，即量子比特（qubit）。最低能級(jí)和第一個(gè)激發(fā)態(tài)分別代表“0”和“1”，這正是構(gòu)建未來量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)路徑之一。

可以說，今年的獲獎(jiǎng)?wù)卟粌H深化了人們對(duì)物理世界的理解，也為發(fā)展新一代量子技術(shù)包括量子加密、量子計(jì)算和量子傳感等領(lǐng)域開辟了新路徑。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席奧勒·埃里克松表示：“量子力學(xué)在百年發(fā)展歷程中持續(xù)帶來新突破，值得共同慶賀。而這項(xiàng)研究更具重大應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)榱孔恿W(xué)是所有數(shù)字技術(shù)的基石?！?/p>

(責(zé)任編輯：綜合)