2025年诺贝尔物理学奖揭晓！用AMiner高效调研诺奖发现和获奖者学术成就！

10月7日，2025年的诺贝尔物理学奖授予了加州大学伯克利分校约翰·克拉克(John Clark)、米歇尔·H·德沃雷(Michel Devoret)和约翰·马丁尼斯(John Martinis)，以表彰他们在“宏观量子力学隧穿效应以及电路中的能量量子化现象”的发现。

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量子力学与宏观世界的历史困境

量子力学自20世纪初建立以来，一直是现代物理学的基石之一。然而，这一理论最初仅被视为描述微观世界的框架，用于解释原子和亚原子粒子的行为。在量子力学中，诸如波粒二象性、不确定性原理和量子隧穿等现象被认为是微观世界的专属特征。很长一段时间里，科学界普遍认为，随着物体尺度的增大，量子效应会逐渐消失，宏观世界完全遵循经典物理学的定律。这一观点在物理学中被称为"量子-经典对应"或"量子-经典界限"问题。

1960年代，物理学家布莱斯·德威特(Bryce DeWitt)提出了著名的"薛定谔的猫"思想实验，这一实验直接挑战了量子力学在宏观尺度上的应用。在这个思想实验中，德威特设想了一个微观放射性原子与一个宏观猫的生死相联系的系统：如果原子衰变，猫就会死亡；如果原子不衰变，猫就保持存活。根据量子力学的哥本哈根解释，未被观测的原子处于衰变和不衰变的叠加态，那么按照同样的逻辑，猫应该同时处于存活和死亡的叠加态。这一明显违背常识的结论引发了关于量子力学是否适用于宏观物体的深刻哲学思考和科学辩论。

在接下来的几十年里，物理学家们开始思考如何在宏观系统中实验性地验证量子效应。他们提出了各种理论模型，并设计了各种实验方案，试图在宏观尺度上观察量子现象。这些尝试包括弗兰克·普林格尔(Frank J. Preparata)在1962年声称观察到宏观物体的量子干涉，但其结果存在争议。随着低温技术和精密测量仪器的发展，物理学家们开始关注超导体等特殊材料，因为这些材料在极低温下表现出集体量子行为，可能是连接微观量子世界和宏观经典世界的桥梁。

约瑟夫森效应与超导电路的理论基础

约瑟夫森效应是理解宏观量子隧穿现象的关键理论基础。这一效应由英国物理学家布莱恩·约瑟夫森(Brian Josephson)在1962年预测，并于1963年被实验证实。约瑟夫森效应描述了当两块超导体通过一层极薄的绝缘层（通常只有几个原子厚度）连接时，超导电子对（库珀对）能够穿过绝缘层隧穿的现象。这种隧穿行为完全违背了经典物理学的预期，因为根据经典理论，电子应该被绝缘层完全阻挡。约瑟夫森效应是量子隧穿在宏观尺度上的直接体现，它为研究宏观量子现象提供了一个理想的实验平台。

在超导体中，电子会配对形成库珀对，这些对作为整体行动，表现出集体量子行为。当超导体冷却到绝对零度以上几度时，这些库珀对能够无阻力地流动，形成超导电流。如果用一层薄的绝缘层将两个超导体连接起来，便构成了一个约瑟夫森结。在这一结构中，库珀对能够通过量子隧穿穿过绝缘层，导致电流的流动。这种电流与经典导体中的电流有着本质的不同，因为它直接源于量子力学的隧穿效应。

约瑟夫森效应的发现为研究宏观量子现象提供了一个独特的平台。在约瑟夫森结中，量子效应不仅在微观尺度上存在，而且在宏观尺度上也表现出明显的特征。

在克拉克、德沃雷和马丁尼斯开展研究的1980年代，约瑟夫森效应已经被广泛研究，但关于宏观量子隧穿的直接证据仍然缺乏。他们开始思考如何设计实验，他们的研究将结合低温物理、超导电子学和量子测量等领域的先进技术，为验证宏观量子效应提供前所未有的实验证据。

宏观量子隧穿现象的观测与验证

克拉克、德沃雷和马丁尼斯的实验取得了突破性的成果，他们成功地在约瑟夫森结中观察到了宏观量子隧穿现象，在实验中，他们观察到的一个关键现象是零电压状态的存在和突然消失。当电流被施加到约瑟夫森结上时，系统最初处于零电压状态，即没有电压降。在这种状态下，系统的波函数被"囚禁"在一个不允许产生电压的量子态中。然而，随着时间的推移，电压会突然出现，表明系统已经从零电压状态隧穿到了有电压的状态。这种从零电压到有电压的转变，是宏观量子隧穿的直接证据。

他们还观察到了能量量子化的现象。通过向约瑟夫森结施加不同频率的微波，他们发现系统只吸收特定频率的微波，这些频率对应于能级之间的跃迁。当系统吸收能量并跃迁到更高能级时，零电压状态的持续时间会变短。这与量子力学的预测一致：在较高能级发生隧穿比在较低能级更容易，因此，从统计上看，能量越高的系统被"囚禁"的时间，要短于能量较低的系统。

这些实验结果表明，量子隧穿和能量量子化现象不仅存在于微观尺度，也在宏观尺度上表现出来。在他们的实验中，约瑟夫森结中的库珀对作为一个整体行动，表现出量子隧穿行为。这个系统虽然在宏观尺度上（芯片尺寸约为一厘米），但仍表现出量子力学的特征。这挑战了量子力学仅适用于微观世界的传统观点，为量子力学在宏观尺度上的普遍性提供了直接证据。

量子技术的未来发展与应用前景

克拉克、德沃雷和马丁尼斯关于宏观量子效应的开创性研究为量子技术的发展奠定了基础。

量子计算是量子技术中最受关注的领域之一。在量子计算中，量子比特（qubit）是基本信息单元，与经典计算机中的比特不同，量子比特可以处于0和1的叠加态，这使得量子计算机在某些计算任务上具有潜在的优势。在克拉克、德沃雷和马丁尼斯的工作基础上，超导电路被发展成为实现量子比特的一种主要技术路线。在超导量子比特中，约瑟夫森结被用来实现量子态，而量子门操作则通过微波脉冲来实现。

量子传感器是另一个具有广阔应用前景的量子技术领域。在量子传感器中，量子效应被用来实现高灵敏度的测量。例如，基于约瑟夫森结的超导量子干涉装置（SQUID）已经被广泛用于测量微弱的磁场，其灵敏度远超传统磁传感器。随着量子技术的发展，新型量子传感器不断涌现，如基于超导电路的射频传感器、基于冷原子的重力波探测器等。这些量子传感器在基础研究、国防安全、医疗诊断等领域具有重要应用价值。例如，高灵敏度的磁传感器可以用于脑磁图（MEG）测量，无创地探测大脑活动；重力波探测器则可以用于研究宇宙中的天体物理现象。

量子通信是量子技术的另一个重要应用领域。量子通信利用量子力学的原理实现安全的信息传输。其中，量子密钥分发（QKD）利用量子态的不可克隆性实现安全的密钥分发，为传统加密提供了一种理论上无条件安全的密钥分发方法。量子中继器则利用量子纠缠实现远距离的量子态传输，是实现广域量子通信网络的关键技术。随着量子通信技术的发展，量子通信网络已经在一些城市和国家开始部署，为金融、政府和军事等领域提供高安全性的通信服务。

在量子计算、量子传感器、量子通信、量子模拟和量子精密测量等领域，量子技术正在改变我们处理信息和测量世界的方式。随着量子技术的不断发展，我们可以期待更多的创新应用出现，为科学、技术和日常生活带来深远的影响。

（本节来源：全球科技情报服务平台AMiner 沉思，部分内容可能由AI生成，现已支持诺奖深度调研：https://www.aminer.cn/open/research?f=fwh_am_dr_v1）

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2025年诺贝尔生理学或医学奖业已揭晓。美国科学家Mary E. Brunkow、Fred Ramsdell和日本科学家Shimon Sakaguchi获奖，他们“因其在外周免疫耐受领域的发现而获奖”。

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