瑞典皇家科學院今日宣布，將2025年諾貝爾物理學獎授予三位科學家——約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬丁尼斯，以表彰他們在宏觀量子力學領域的重要突破，具體為“在電路中首次觀測到宏觀尺度下的量子隧穿效應與能量量子化現象”。

量子力學自誕生以來，一個核心問題始終困擾著科學家：量子效應究竟能在多大尺度的系統中被觀測到？傳統理論認為，隨著系統尺寸增大，量子特性會因退相干效應迅速消失。然而，三位獲獎者的研究顛覆了這一認知——他們通過設計精密的電路實驗，在厘米級甚至可手持的宏觀系統中，同時驗證了量子隧穿與能量量子化的存在。

量子隧穿是量子力學的標志性現象之一：粒子無需跨越經典物理中的能量勢壘，而是以概率形式“穿透”障礙。但當系統包含大量粒子時，這種效應通常會被湮沒。獲獎團隊通過超導電路實驗證明，即使由數以億計的電子組成的宏觀系統，仍能保持量子相干性。實驗中，他們構建了由超導體與絕緣層交替組成的“約瑟夫森結”電路，通過精確調控電流與電壓，觀測到系統從零電壓態向有電壓態的量子隧穿躍遷。

研究的關鍵突破在于，團隊發現該宏觀系統的能量變化并非連續，而是以離散的“量子臺階”形式出現。這一現象直接驗證了能量量子化的核心假設——系統只能吸收或釋放特定頻率的能量，與微觀粒子行為完全一致。諾貝爾物理學委員會主席奧勒·埃里克松評價道：“這項研究將量子力學的邊界從原子尺度推向了肉眼可見的宏觀世界，為理解復雜系統的量子行為開辟了新路徑。”

實驗裝置的核心是超導電路技術。超導體在臨界溫度下電阻為零，電子可形成“庫珀對”整體運動。當兩個超導體被薄絕緣層分隔時，電子對能以量子隧穿方式穿過勢壘，形成超導電流。獲獎者通過調控電路參數，使系統處于“量子束縛態”，即電流存在但電壓為零的特殊狀態。隨后，他們觀測到系統通過隧穿效應突破勢壘，伴隨電壓的突然出現，直接證明了宏觀量子隧穿的存在。

這項成果不僅深化了量子力學的基礎認知，更對技術發展產生深遠影響。當前數字技術的基石——晶體管，本質上已利用了量子隧穿效應。而三位科學家的研究為更復雜的量子技術鋪平了道路，例如可實現絕對安全的量子密碼學、運算速度指數級提升的量子計算機，以及能探測單個光子的高精度量子傳感器。埃里克松強調：“量子力學誕生百年后仍在不斷帶來驚喜，它不僅是理論上的瑰寶，更是現代科技的根基。”