諾貝爾物理學(xué)獎得主曾獲墨子量子獎宏觀量子效應(yīng)的突破

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2025-10-07 22:02:54 新浪財(cái)經(jīng)

物理學(xué)中的一個重要問題是：能夠展現(xiàn)量子力學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)最大可以達(dá)到什么尺度。今年諾貝爾獎獲得者通過電路實(shí)驗(yàn)，在一個尺寸足以置于掌心的系統(tǒng)中，展示了量子力學(xué)隧穿效應(yīng)與能量量子化。

量子力學(xué)允許粒子通過所謂“隧穿”的過程直接穿越勢壘。一旦涉及大量粒子，量子力學(xué)效應(yīng)通常會變得微不足道。獲獎?wù)叩膶?shí)驗(yàn)證明，量子力學(xué)特性可以在宏觀尺度上得以具體呈現(xiàn)。

1984年和1985年，約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬丁尼斯利用超導(dǎo)體構(gòu)建了一個電子電路，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在該電路中，超導(dǎo)元件被一層薄薄的絕緣材料隔開，這種結(jié)構(gòu)被稱為約瑟夫森結(jié)。通過精確改進(jìn)并測量其電路的各種特性，他們得以控制和探索當(dāng)電流通過時產(chǎn)生的現(xiàn)象。流經(jīng)超導(dǎo)體的帶電粒子共同構(gòu)成了一個系統(tǒng)，其行為猶如一個遍布整個電路的單一粒子。

這個宏觀的類粒子系統(tǒng)最初處于一種無電壓的電流流動狀態(tài)。系統(tǒng)受限于此狀態(tài)，仿佛被一道無法穿越的勢壘所阻擋。實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)通過隧穿效應(yīng)成功脫離零電壓狀態(tài)，從而展現(xiàn)了其量子特性。系統(tǒng)狀態(tài)的改變通過電壓的出現(xiàn)而被檢測到。獲獎?wù)邆冞€證明了該系統(tǒng)的行為遵循量子力學(xué)的預(yù)測——它是量子化的，意味著它僅吸收或釋放特定數(shù)量的能量。

他們的研究首次無可辯駁地證明，一個由數(shù)十億對電子組成的、人手可以觸摸的“宏觀”物體——超導(dǎo)電路，可以像單個原子一樣，遵循量子力學(xué)的奇異規(guī)則。這項(xiàng)工作將量子世界從微觀粒子和思想實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域，成功帶入了可被精確設(shè)計(jì)和操控的宏觀工程系統(tǒng)中，為現(xiàn)代量子計(jì)算和量子科學(xué)的發(fā)展鋪平了道路。

自量子力學(xué)誕生以來，其結(jié)論就一直挑戰(zhàn)著人們的直覺。其中最著名的莫過于“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)：由于放射性原子核的衰變處于“衰變”與“未衰變”的疊加態(tài)，一只與之關(guān)聯(lián)的貓，也因此處在“生”與“死”的疊加態(tài)。這個思想實(shí)驗(yàn)形象地指出了將量子法則應(yīng)用到宏觀世界是何等荒謬。在現(xiàn)實(shí)世界中，我們從未見過一只“既生又死”的貓，這是因?yàn)楹暧^物體與周圍環(huán)境存在著無法避免的相互作用，這種相互作用會極快地破壞掉精巧的量子疊加態(tài)。

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