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]

2025年诺贝尔物理学奖获奖成果 - 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，表彰他们在宏观电路上实验发现微观量子世界的奇异特性 [1] - 获奖突破性成果为首次在由大量粒子组成的宏观物体上观测到量子隧穿现象 [1] - 该成果实证了存在由大量粒子构成却依然遵循量子力学规律的宏观系统，在概念重要性上与薛定谔的猫思想实验等同 [5] 量子隧穿现象与理论基础 - 量子隧穿是微观粒子能够穿透势能比周围区域高的能量障碍区域的量子力学现象 [1] - 隧穿是一个量子力学过程，随机性起着作用，不同类型的原子核因势垒高度和宽度不同而衰变速度各异 [2] - 乔治·伽莫夫于1928年意识到隧穿是某些重原子核发生衰变的原因 [2] 超导体与库珀对的关键作用 - 在极低温下，某些材料中的电子会形成库珀对，以完全无电阻的方式协同运动，使材料成为超导体 [2] - 超导体中的所有库珀对可视为一个整体量子系统，该系统的特性是实验的核心部分 [2] - 库珀对概念由利昂·库珀等人提出，并因此获得1972年诺贝尔物理学奖 [2] 宏观量子隧穿实验细节 - 科学家对由超导体构成的电路进行实验，超导元件被一层薄薄的非导电材料隔开 [3] - 宏观系统最初处于有电流流动但电压为零的状态，通过隧穿效应设法摆脱零电压状态，展示了量子特性 [3] - 实验测量了系统隧穿出零电压态所需的时间，并证明该系统具有能量量子化性质，只能以特定能量份额吸收或发射能量 [3] 研究成果的广泛影响 - 该成果首次从一个本身即为宏观的量子态中，直接产生了可测量的宏观效应——电压 [4] - 研究成果为探索微观世界规律提供了全新实验平台，可被视作大规模的人造原子，可嵌入不同实验装置或用于新型量子技术 [5] - 量子力学诞生百年，为数字技术提供了基础 [1]

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]