◎ 本报特约作者 金贤敏，上海交通大学教授，上海交通大学集成量子信息技术研究中心（IQIT）主任，无锡光子芯片研究院（CHIPX）院长，图灵量子（TuringQ）创始人      

北京时间10月7日下午，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·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯3位科学家，以表彰他们在电路中发现了宏观量子隧穿和能量量子化现象。    

此前，诺贝尔物理学奖于2012年授予解决观察个体量子系统挑战的量子测量，2022年授予解决量子信息传输与处理的光量子纠缠，而本次则聚焦于可扩展人造系统的宏观量子效应。

长久以来，物理学界一直存在一个根本问题：量子力学的规律能否在宏观尺度显现？本次获奖者的突破性发现回答了这个问题，不仅深化了人类对量子世界的理解，更将量子现象从微观观测领域带入可操控的宏观工程系统，使人类对量子的操控完成了从原理验证到工程实现的关键跨越，为量子计算技术革命铺平了道路，掀开了人类未来拥有无限算力的新篇章。

宏观量子效应突破人类认知边界

经典物理世界是宏观的，物体运动是连续的，相应的能量也是连续的。例如，当我们将一个球扔向墙壁，可以直接看到球会弹回，绝不会穿墙而过。然而在量子世界，能量是量子化的，只能一份份吸收或释放，粒子可以直接穿过障碍物，这就是量子隧穿效应。

过去，量子隧穿效应被认为只存在于微观的原子或粒子世界。一旦到了由大量粒子组成的宏观尺度，这些量子效应就会消失，物体表现出符合人们日常经验的经典物理行为。

而这次获奖成果的核心价值在于打破了传统认知的边界：获奖者通过精巧的实验证明，这种量子隧穿效应不仅存在于微观世界，同样可出现在一个人手可握、包含数十亿粒子的宏观电路中。

他们构建了一个由超导材料制成的电路，中间以极薄绝缘层隔开，形成所谓的“约瑟夫森结”。在接近绝对零度的极低温条件下，超导体中的电子会结合成“库珀对”，这些库珀对协同运动，使整个系统表现得像一个单一的量子粒子，即宏观系统可作为整体发生量子隧穿，呈现出与微观粒子完全相同的量子特性。更重要的是，它将量子效应从一个只能被动观察的神奇现象，变成了一个可以通过导线连接、测量和控制的工程化系统，为量子技术的实际应用奠定了关键的物理基础。

人类量子操控能力厚积薄发

1928年，物理学家乔治·伽莫夫发现量子隧穿是某些原子核衰变的原因。20世纪70年代，超导理论（BCS理论）和约瑟夫森结的提出为宏观量子现象提供了理论可能。

20世纪80年代中期，在美国加州大学伯克利分校，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯团队针对宏观量子现象进行钻研，他们面临的最大挑战是如何在嘈杂环境中捕捉脆弱的量子效应：任何微小的热扰动或电磁噪声都会破坏脆弱的量子态，使得宏观量子效应无法被观测到。通过精巧的实验设计和严格的电磁屏蔽，他们最终在1984-1985年完成了这一里程碑实验：向系统注入微波时，他们发现它只吸收特定能量的微波，从而从一个能级“跳”到更高能级，使实验系统从零电压状态跃迁到有电压状态，证明了这个宏观系统的能量是量子化的。

理论物理学家安东尼·莱格特将他们的宏观量子系统与著名的“薛定谔的猫”思想实验相比较。在该思想实验中，猫处于“既死又活”的叠加态，而获奖者的实验在某种程度上将这一思想实验变为现实，尽管其系统比一只猫小得多，但测量的是整个系统的量子性质。

这项研究最直接的影响在于为量子计算技术奠定了基础。获奖者之一约翰·M·马蒂尼斯后来成为谷歌量子人工智能团队的负责人，在量子计算领域取得了重大突破，在随机线路采样任务中200秒完成经典计算机需1万年的运算，全球首次宣称实现“量子计算优越性”。

百年量子世界的回响

这项基础科学突破为未来高新技术产业带来了广阔前景，推动了量子计算技术从实验室走向实际应用，其影响不亚于核聚变技术对人类社会的改变。

量子计算的量子比特数每增加一个，算力将翻倍，一旦突破49个量子比特，算力可超过最强大的经典计算机，其颠覆性能力将为人类拥有无限算力带来可能。中国科学技术大学潘建伟团队已成功研制出“九章三号”和“祖冲之三号”量子计算原型机，并成功越过“量子计算优越性”；上海交通大学金贤敏团队已制备出世界最大规模三维光量子计算芯片，并完成了56个光子的“量子计算优越性”演示；上海交大无锡光子芯片研究院（CHIPX）已建成启用了自主可控的国内首条光子芯片中试线，在全球量子科技竞争中占据了身位优势；量子计算龙头企业图灵量子已推出全球首款商用科研级光量子计算机。这些成果使我国成为世界上唯一在超导量子和光量子两条技术路线上均实现“量子计算优越性”的国家。量子计算在药物研发、材料科学、金融科技和人工智能等领域的潜在应用，将为全人类的高新技术产业发展乃至社会文明带来颠覆性变革。

正如诺贝尔物理学奖委员会主席奥勒·埃里克松所言：“量子力学是所有数字技术的基础。”各国政府和科技巨头纷纷加大投入，谷歌、IBM、微软等公司竞相开发量子计算平台，PsiQuantum等创业公司不断涌现，发展迅猛。量子科技的发展正迎来百年一遇的契机，但最终全球玩家谁能问鼎，关键在于持续的科研投入、中试量产能力建设和优势场景的应用落地。

2025年是量子力学诞生100周年，也是联合国教科文组织确定的“国际量子科学与技术年”。从2012年获奖的基于中性原子和离子阱的量子测量，到2022年获奖的光量子纠缠验证，再到今年获奖的超导宏观量子电路，一条清晰的产业路径正在展开，并已发展成为当下量子计算的主流路径。我们有理由相信，宏观量子现象的发现将成为人类掌控量子力量的关键一步，量子科技有望在未来10年内，像今天的人工智能一样，成为重塑全球经济格局的核心驱动力，为无限算力的人类文明新纪元奠定坚实基础。

（本文编辑：朱广清）