诺奖得主捕捉到量子世界“穿墙术” 宏观尺度新突破

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2025-10-08 09:16:52 新浪

北京时间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约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马蒂尼斯，以表彰他们在电路中发现宏观量子力学隧穿和能量量子化的贡献。

今年正值量子力学诞生100周年。三位获奖者通过精巧的实验设计，让通常只在微观世界出现的量子行为首次在宏观尺度的电路中得以清晰呈现，为量子力学从理论走向实际观测打开了新窗口。

《聊斋志异》中的《崂山道士》篇目讲述了书生王七上崂山学道并学会穿墙术的故事。然而，在现实生活中，这种“穿墙术”在量子世界中确实存在。在量子力学中，像电子这样的微观粒子由于其波动性，可以穿过能量构成的“势垒”，即使其能量低于势垒高度。这种现象被称为量子隧穿。

以往，量子隧穿只能在微观粒子世界中观测到。而三位科学家的突破性工作使这类量子行为首次在肉眼可见的电路中显现出来。1984年至1985年间，他们利用超导材料构建出一种特殊电路，在两个超导元件间夹入纳米级绝缘层，形成“约瑟夫森结”。该结构由超导材料和绝缘体组成，能使电流无阻传输，更重要的是，整个电路中的电荷表现出统一的“宏观粒子”特性。

实验发现，系统起初处于零电压状态，电流流动却不产生电压，但随后会通过量子隧穿效应突然“跃出”这种状态，产生可测的电压跃变。这正是在宏观尺度上捕捉到的量子穿墙证据。研究还证实，该宏观系统的能量变化并非连续，而是呈现出一份一份的量子化特征，与量子力学理论预言完全吻合。

虽然理论上人体的所有粒子在同一瞬间协同隧穿的可能性极低，但在量子隧穿现象在生活中无处不在。例如，太阳内部的核聚变需要氢原子核克服巨大的电磁斥力才能靠近合并。科学家认为，正是量子隧穿效应让氢核有机会“穿越”能量壁垒，使聚变得以持续，从而使太阳能持续发光发热。

量子隧穿现象早已应用于技术领域，如手机和U盘等设备中的闪存芯片就是利用量子隧穿原理来存储数据。本次获奖成果揭示的宏观量子隧穿为下一代量子技术——包括量子加密、量子计算与量子传感——奠定了重要的实验基础。

(责任编辑：0882)

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