获奖成果核心内容 - 2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯，表彰其在电路中实现宏观量子力学隧穿效应和能量量子化的贡献 [2][4] - 三位科学家通过精密的超导电子电路，首次在肉眼可见的宏观尺度上同时验证了量子隧穿和能量量子化两个核心量子特性 [4][8] - 实验核心元件为约瑟夫森结，超导电路在低温下可像一个"宏观类粒子"那样被整体描述，系统通过量子隧穿逃逸到"运行态"并以电压跃迁作为观测信号 [5][7][8] 实验设计与发现 - 实验利用超导体构建电子电路，超导体内电子有序无阻力流动，整个系统如同单一粒子般运行 [5][7] - 实验观测到宏观系统只能以特定能级吸收或释放能量，这与量子力学理论预测的能量量子化一致 [8] - 该发现证明宏观超导电路可作为被人类触摸到的系统严格遵循量子力学，将量子现象从微观世界带到宏观尺度 [8] 科学意义与影响 - 研究成果把长期哲学思辨层面的问题转化为可通过实验数据回答的精确科学问题，与"薛定谔的猫"思想实验极为接近 [9] - 为"普适量子论"增加了分量，表明从原子到大型电路遵循同一量子规则，无需假设自然界存在神秘的"自动坍缩开关" [10] - 为检验或排除各类客观坍缩模型提供了清晰路线图，激励研究者构建更大更复杂的系统继续逼近量子—经典边界 [10] 量子力学应用与产业化 - 量子力学催生了众多革命性技术应用，包括晶体管、激光、核磁共振成像、原子钟等，构成现代科技的"隐形底座" [11] - 超导量子计算、量子通信与量子传感被视为"第二次量子革命"，本次诺奖成果为开发下一代量子技术如量子密码学、量子计算机和量子传感器提供机遇 [11][12] - 中国在量子通信与计算应用上取得显著进展，包括"墨子号"卫星实现1200公里纠缠分发、"祖冲之三号"超导量子计算原型机处理速度比最快超级计算机快千万亿倍 [13]

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]

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]