物理学中的一个重要问题是:能够展现量子力学效应的系统最大可以达到什么尺度。今年诺贝尔奖获得者通过电路实验,在一个尺寸足以置于掌心的系统中,展示了量子力学隧穿效应与能量量子化。
量子力学允许粒子通过所谓“隧穿”的过程直接穿越势垒。一旦涉及大量粒子,量子力学效应通常会变得微不足道。获奖者的实验证明,量子力学特性可以在宏观尺度上得以具体呈现。
1984年和1985年,约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马丁尼斯利用超导体构建了一个电子电路,并进行了一系列实验。在该电路中,超导元件被一层薄薄的绝缘材料隔开,这种结构被称为约瑟夫森结。通过精确改进并测量其电路的各种特性,他们得以控制和探索当电流通过时产生的现象。流经超导体的带电粒子共同构成了一个系统,其行为犹如一个遍布整个电路的单一粒子。
这个宏观的类粒子系统最初处于一种无电压的电流流动状态。系统受限于此状态,仿佛被一道无法穿越的势垒所阻挡。实验中,该系统通过隧穿效应成功脱离零电压状态,从而展现了其量子特性。系统状态的改变通过电压的出现而被检测到。获奖者们还证明了该系统的行为遵循量子力学的预测——它是量子化的,意味着它仅吸收或释放特定数量的能量。
他们的研究首次无可辩驳地证明,一个由数十亿对电子组成的、人手可以触摸的“宏观”物体——超导电路,可以像单个原子一样,遵循量子力学的奇异规则。这项工作将量子世界从微观粒子和思想实验的领域,成功带入了可被精确设计和操控的宏观工程系统中,为现代量子计算和量子科学的发展铺平了道路。
自量子力学诞生以来,其结论就一直挑战着人们的直觉。其中最著名的莫过于“薛定谔的猫”思想实验:由于放射性原子核的衰变处于“衰变”与“未衰变”的叠加态,一只与之关联的猫,也因此处在“生”与“死”的叠加态。这个思想实验形象地指出了将量子法则应用到宏观世界是何等荒谬。在现实世界中,我们从未见过一只“既生又死”的猫,这是因为宏观物体与周围环境存在着无法避免的相互作用,这种相互作用会极快地破坏掉精巧的量子叠加态。
10月7日,瑞典皇家科学院宣布将2025年诺贝尔物理学奖授予美国科学家约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯,表彰他们在电路中发现宏观量子力学隧穿和能量量子化
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