诺贝尔物理学奖与科学突破 - 2024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・马丁尼斯，表彰其发现"电路中的宏观量子力学隧穿和能量量子化" [1] - 该成就的核心器件是约瑟夫森结，其在低温下使电子耦合成"库珀对"并表现出宏观量子隧穿等量子力学行为 [2] - 这一发现将量子力学从理论带入可工程化的电路体系，为在更大尺度上研究量子世界打开了大门 [1][2] 量子计算原理与优势 - 量子计算利用量子比特的叠加与纠缠特性，使多种可能态并行演化，理论上进行某些计算的速度可比传统计算机快数十亿倍 [3] - 与经典计算机使用0和1的比特不同，量子计算机能直接模拟分子化学与新材料等量子体系的本征规律 [3] - 谷歌于2024年12月推出全新的105量子比特芯片Willow，在业界引起巨大反响 [3] 量子计算商业化挑战 - 量子计算走向规模化商业化需克服三大关口：保持量子比特叠加态的稳定性、实现硬件与控制系统的工程化扩展、找到可验证的量子优势应用场景 [5] - 量子系统易受环境"噪声源"干扰导致"退相干"，是保持量子比特相干性的主要挑战 [5] - 超导量子路线作为主流技术，需接近绝对零度的环境且量子比特相干时间较短 [6] 技术路线发展与竞争 - 全球量子计算技术路线多样，包括超导量子、离子阱、光量子、拓扑量子等，表明技术方向尚未收敛 [6][7] - 微软于2025年2月宣布在拓扑量子计算取得突破，创造了首个"拓扑导体"，理论上可制造容纳100万个量子比特且错误率低的芯片 [7] - 量子计算技术在Gartner新兴技术炒作周期曲线中多年处于"创新触发期"，尚未进入下一阶段 [7] 资本市场表现与投融资 - 摩根大通预计2025年全球对量子计算的公共投资或将达到450亿美元 [9] - 美股量子计算板块近半年集体走强，例如Quantum Computing股价从3月低点4.37美元涨至7月高点21.88美元，累计涨幅304.41% [10] - 截至2025年三季度末，中国国内量子计算赛道有14家企业合计完成16轮融资，覆盖天使轮到C轮 [12] - 海外已上市量子公司如IonQ、D-Wave等财务表现薄弱，均未盈利，IonQ 2024年销售额为4310万美元 [9]

诺贝尔物理学奖与科学突破 - 2024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·马丁尼斯，表彰其发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量子化 [1] - 获奖研究核心器件为约瑟夫森结，其宏观量子态行为使量子力学从理论走向可工程化的电路体系 [2] - 该成就打开了在更大尺度上研究量子世界的大门，为利用微观世界现象开展实验提供新可能 [2] 量子计算技术原理与优势 - 量子计算利用量子比特的叠加与纠缠，让多种可能态并行演化，直接模拟分子化学等量子体系 [5] - 理论上量子计算进行某些类型计算的速度可比传统计算机快数十亿倍 [5] - 1982年理查德·费曼提出量子计算机概念，2024年12月谷歌推出105量子比特芯片Willow引发行业震动 [5] 量子计算商业化挑战 - 量子计算规模化商用需攻克量子比特稳定性、硬件工程化扩展及验证量子优势场景等关口 [7] - 主要挑战包括保持长相干时间与高门保真度，解决低温控制、互连封装良率与可重复性 [7] - 任何微弱环境扰动均可成为噪声源导致退相干，使系统失去量子信息 [7] 主要技术路线与发展现状 - 全球量子计算技术路线包括超导量子、离子阱、光量子和拓扑量子等，多条路线并进竞争 [8][13] - 超导量子是主流路线，代表厂商有IBM、谷歌、国盾量子等，但需接近绝对零度环境且相干时间短 [8] - 2025年2月微软宣布取得突破性进展，推出全球首款基于拓扑量子比特的量子处理器 [8][13] - 量子计算技术在Gartner新兴技术炒作周期曲线中多年处于创新触发期，尚未进入下一阶段 [13] 行业应用与国家战略 - 量子计算在通信、金融、医疗、生物、人工智能等领域拥有广阔应用前景 [6] - 美国、日本等国家制定了国家层面量子计算发展规划，谷歌、英伟达、IBM、微软等科技巨头积极推进研究 [6] - 中国本源悟空、玻色量子、国盾量子等公司在量子计算领域耕耘已久 [7] 资本市场表现与投融资 - 摩根大通预计2025年全球量子计算公共投资或将达到450亿美元 [14] - 海外已上市量子计算公司包括IonQ、Quantum Computing、D-Wave Quantum与Rigetti Computing，均为小型股且未盈利 [14] - IonQ 2024年销售额为4310万美元，2025年微软披露突破后D-Wave股价一度涨逾7%，Rigetti涨近4% [14] - 2025年Quantum Computing股价从3月低点4.37美元涨至7月高点21.88美元，累计涨幅304.41% [15] - IonQ六个月大涨近223%，D-Wave Quantum涨逾478%，瑞穗证券董事总经理称此为炒作中的炒作 [15] - 截至2025年三季度末，国内量子计算赛道14家企业完成16轮融资，中科酷原与玻色量子均完成两轮融资 [17] - 玻色量子2025年4月发布新一代约1000个计算量子比特的光量子计算机真机 [17]

诺贝尔物理学奖获奖成就 - 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·马蒂尼斯，以表彰他们在宏观量子隧穿和电路量子化方面的开创性发现 [1] - 获奖研究通过超导电路将量子效应从微观原子尺度扩展到宏观尺度，标志着量子力学在更大系统中的应用突破 [1] - 这些突破使得基于超导电路的量子器件在量子计算和量子精密测量领域得以应用 [1] 宏观量子效应的科学意义 - 研究突破了量子与经典的边界，证明只要系统与外部环境的耦合足够弱，量子力学在日常可见的宏观尺度上仍然有效 [25] - 1985年，研究团队首次观测到宏观变量——约瑟夫森相位在电流偏置约瑟夫森结中的量子化，形成分立能级 [15][16] - 同年，团队在相同体系中明确观测到了宏观量子隧穿现象 [15][16] - 1988年，团队进一步确认约瑟夫森结相位差是一个宏观量子变量，实验结果与量子力学预测高度相符且“没有任何可调参数” [21] 超导量子计算的技术基础 - 超导电路量子化的确立，使得利用超导量子电路构造“人工原子”成为可能，其具有可设计的能级结构、相互作用强度及与外部电磁场的耦合强度 [22] - 电流偏置的约瑟夫森结本身就是一种早期经典的量子比特——相位量子比特的前身 [22] - 1999年，日本理化研究所团队首次在“超导小岛”中观测到量子相干振荡现象，从此打开了超导量子比特与超导量子计算的大门 [22] - 2019年，基于这些技术基础的谷歌“悬铃木”量子芯片在53个量子比特上首次展示了“量子霸权” [29] - 2024年底推出的105比特“Willow”量子芯片将“量子霸权”推到5分钟对比1025年的新高度，并首次在超导量子处理器上实现了表面码量子纠错盈亏平衡点的突破 [29] 获奖者的具体贡献与影响 - 约翰·克拉克是超导量子干涉仪（SQUID）的发明者，该器件是著名的精密测量工具，并被应用于脑磁图成像等领域 [26] - 米歇尔·H·德沃雷在耶鲁大学开创的研究组成为超导量子电路领域的摇篮，近半数超导量子研究组（如IBM量子部门开创成员）出身于此，其学生提出了应用广泛的“Transmon”量子比特 [27] - 约翰·马蒂尼斯是最具工程化能力的科学家，最早在“相位量子比特”中发现量子相干振荡，并在两个相位量子比特之间实现了长距离（10cm尺度）纠缠 [28] - 马蒂尼斯创立的公司Qolab致力于利用半导体技术为超导量子芯片加工提供工业化解决方案 [30]

量子隧穿现象的本质 - 量子力学描述的是在单个粒子尺度上显现的微观物理特性，与宏观现象形成对比 [1] - 在微观世界中，单个粒子能够直接穿过类似墙的障碍，出现在另一侧，这种现象被称为量子隧穿 [1] - 宏观物体由天文数字的分子组成，不会表现出量子力学效应 [1] 宏观量子隧穿的实验证明 - 1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马蒂尼斯三位科学家构建了一个包含两个超导体的电路 [1] - 实验证明了超导体中的所有带电粒子可以协同运动，表现得像一个单一粒子，充满整个电路 [1] - 该系统通过量子隧穿效应，在宏观尺度上展现出了量子特性 [1] - 实验装置承载于尺寸约为一厘米的芯片上，将量子效应从微观尺度推进到了宏观尺度 [3] 超导体与库珀对的作用 - 在极低温下，材料中的电子会两两结合成对，形成库珀对，此时材料变为超导体 [2] - 库珀对形成后，电子部分个体性消失，所有库珀对可被描述为一个统一的量子力学系统 [2] - 实验在一个包含数十亿个库珀对的宏观量子系统中观测到了量子现象 [3] 实验的深远影响 - 该系列实验表明，大量粒子可以共同表现出量子力学所预测的行为，这与薛定谔之猫在本质上是类似的 [4] - 这些研究不仅深化了人们对物理世界的理解，也为发展新一代量子技术开辟了新路径 [4] - 所开辟的技术领域包括量子加密、量子计算和量子传感等 [4]

获奖成果核心 - 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，表彰其开创性发现使量子现象“肉眼可见”[1] - 该成果基于前人百年探索，为新一代量子技术发展奠定坚实基础[1] 实验突破细节 - 三名科学家在20世纪80年代于加州大学伯克利分校进行开创性实验，构建了包含两个超导体并由绝缘薄层分隔的电路[2] - 实验展示了超导体中所有带电粒子可表现出“整齐划一”的行为，如同单个粒子充满整个电路[2] - 系统通过量子隧穿效应从零电压状态“逃离”，产生可观测电压，首次实现宏观量子隧穿[2] - 实验表明该系统是量子化的，只能吸收或释放特定能级的能量，与量子力学预测相符[2] - 该实验成果被物理学家类比为将“薛定谔的猫”思想实验变为可置于手掌中的可见电路[2] 历史理论基础 - 量子力学诞生于1925年，是现代物理学重要基础，本次获奖成果基于百年科学探索[3] - 1928年物理学家乔治·伽莫夫通过分析重原子核α衰变首次提出量子隧穿效应理论[3] - 超导研究中，“库珀对”概念由1972年诺贝尔奖得主莱昂·库珀提出，“约瑟夫森结”由1973年诺贝尔奖得主布赖恩·约瑟夫森提出[3] - 获奖科学家在先行者成果基础上，通过“约瑟夫森结”实验首次证实“库珀对”集体呈现量子态时，整个电路能像单个粒子实现隧穿跃迁[3] 技术应用前景 - 量子力学为数字技术提供基础，例如计算机芯片中的微晶体管是成熟的量子技术应用实例[4] - 2025年诺贝尔物理学奖成果为开发下一代量子技术提供机遇，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器[4] - 该成就使人们能够在更大尺度上研究量子力学世界，当前多国正开展如量子计算机等相关研究[4] - 推动量子科学领域发展需要国际合作，许多重大成果通过国际合作实现[4][5] - 在量子科学领域，国际合作是寻找未来解决方案的关键，体现了“科学属于全人类”的诺贝尔遗嘱精神[5]

获奖者与核心成就 - 2025年诺贝尔物理学奖授予美国加州大学的John Clarke、耶鲁大学的Michel H. Devoret和加州大学的John M. Martinis [2] - 获奖理由是“发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量子化” [2] - 三位获奖者在20世纪80年代于加州大学伯克利分校进行了一系列开创性实验 [5][11] 实验核心发现 - 实验证明量子世界的特性可以在宏观尺度的超导电路中具体化，该系统能从一种状态隧穿到另一种状态，并吸收释放特定大小的能量 [4][12] - 实验构建了包含两个超导体的电路，中间由绝缘层隔开，展示了超导体中所有带电粒子表现出一致行为，如同单个粒子 [11][12] - 该系统能利用隧穿效应从零电压状态逃脱并产生电压，从而展现量子特性，并证明其能量是量子化的 [12][28] 技术原理与基础 - 实验基于约瑟夫森结，该元件由两个超导体通过薄绝缘层连接而成，为探索量子物理提供了新工具 [19] - 超导体中的电子结成库珀对，其行为可被描述为一个统一的量子力学系统或波函数 [17] - 宏观量子隧穿效应的测量方式类似于原子核半衰期的统计测量，通过多次测量系统隧穿出零电压状态所需的时间来实现 [26][28] 理论与科学意义 - 该实验从本身就是宏观的状态中，以大量粒子的共同波函数形式，创造了一种宏观的可测量电压效应 [32] - 理论家将获奖者的宏观量子体系与薛定谔的猫思想实验相比较，认为其展示了大量粒子的共同行为符合量子力学预测 [32][33] - 该宏观量子态可被视为一种大规模的“人造原子”，为模拟其他量子系统和理解它们提供了新的实验潜力 [35] 应用与产业前景 - 诺贝尔奖颁奖机构指出该成果为开发下一代量子技术提供了机会，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器 [5] - 超导电路是未来量子计算机构建中探索的技术之一，John Martinis后续利用能量量子化原理进行了量子计算机实验 [35] - 该成果不仅为物理实验室带来实际效益，也为从理论上理解物理世界提供了新的信息 [37]