2025年10月7日，瑞典皇家科学院宣布，将本年度的诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret）与约翰·马丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他们“在电路中实现宏观量子隧穿与能级量子化”方面的杰出贡献。

那么，“宏观量子隧穿”与“能级量子化”——也就是我们常说的“宏观量子效应”——究竟是什么样的呢？别急，milan米兰官网计算机学院银河鲲腾量子计算团队将通过他们亲手制作的多幅精美图像，带你一探究竟！

图1 宏观量子效应研究平台超导约瑟夫森干涉仪

图1展示的是研究宏观量子效应最常见的实验平台——超导约瑟夫森干涉仪，简称SQUID。图中的SQUID尺寸约为20微米，虽然仍很微小，但与直径不到1纳米的分子、原子相比，已经算得上是“宏观”物体了。因此，若在这样的器件中观测到量子行为，便可称之为“宏观量子效应”。SQUID的基本结构是一个由超导材料制成的电路回路，图中呈现为一个“凸”字形结构。

图2 展现零电阻行为的超导体

超导体是一类电阻为零的特殊导体。图2展示了课题组测量的一块钛-铌-铝超导材料的电阻变化。可以看到，当温度降至7开尔文（约-266℃）时，材料进入超导态，电阻完全消失。右图展示了超导电流-电压测量曲线，中间平直的一段代表电流通过却没有电压积累，即处于零电阻的超导状态。

在SQUID回路中有两处“断点”，每个断点处都放置了一个关键元件——约瑟夫森结。它由两片超导体夹着一层极薄的绝缘体或普通导体构成，形成“三明治”结构。上世纪60年代，英国物理学家约瑟夫森指出，超导电流可以“溜过”中间的绝缘层——这就是量子隧穿现象，这个现象使得超导电流依然能够穿越整个约瑟夫森结。

图3 约瑟夫森结器件实例

图3展示鲲腾团队制作的一个约瑟夫森结器件，中间采用半导体材料夹在两块超导体之间构成。右图中的电流-电压曲线测试结果显示，电流依然无阻尼地穿越了整个器件！

图4 SQUID器件和周期性调制的超导电流

那么，含有两个约瑟夫森结的SQUID又有什么特别之处呢？答案是它构成了一个具有相干特性的干涉器件。图4展示了鲲腾团队制作的SQUID器件在改变穿过环路的磁场（即磁通）时，超导电流出现了周期性振荡行为，如同双缝干涉实验中的明暗条纹，这个实验证明了超导中存在着宏观量子波函数。

图5 超导器件中载流子量子化现象

当超导体器件做得比较小的时候，我们甚至可以观测到超导体中的载流子——库珀电对——的量子化现象。图5展示了鲲腾团队使用超导体量子岛做成的电子隧穿器件，图中亮色的离散条纹代表了超导体器件中分立的电子对能级。世界上第一个超导量子比特便是使用这个原理作的，被称为电荷超导量子比特。

图6 约瑟夫森结器件中量子化能级展现的拉比振荡效应

进一步研究表明，超导电路中的电磁波模式也可以量子化，形成离散能级，并可通过微波进行相干操控。超导电路中的电磁波模式量子化是今年三位诺奖获得者在1985年在电流偏置的约瑟夫结电路中发现的。图6中，鲲腾团队对超导量子器件进行微波调控，观测到了量子器件在基态和激发态两个能级之间振荡（“拉比振荡”），这表明超导量子器件具有良好的相干性。

图 7 超导量子器件芯片

既然超导电路实现了能级量子化，它便可用于构造量子比特，进而实现量子计算机。这是本次诺贝尔物理学奖的重要应用前景之一。事实上，本次获奖的John Martinis后来带领Google量子计算团队在超导量子芯片上先后实现了量子霸权（或量子优势）、纠错编码等重大技术突破，也是对本次诺奖的一个最佳诠释。图7展示了鲲腾团队研发的多比特超导量子芯片。

量子技术与诺贝尔奖的不解之缘

量子技术与诺贝尔奖之间一直存在着深厚而持久的联系。多年来，诺贝尔物理学奖已多次授予在量子技术领域取得突破的科学家，这些里程碑式的工作奠定了当代量子科技发展的基础。2022年，诺贝尔物理学奖授予阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格，以表彰他们通过光量子实验验证了贝尔不等式在量子世界中不成立，从实验上证实了量子纠缠的存在，从而直接推动了量子信息科学的兴起。2018年的奖项则表彰了激光物理学的突破：阿瑟·阿什金因发明“光镊”技术获奖，该技术能够用激光束捕获和操纵微小粒子，为后来大规模操控中性原子等研究奠定了基础；同年，热拉尔·穆鲁和唐娜·斯特里克兰因发明“啁啾脉冲放大”技术共同获奖，该技术是产生高强度、超短激光脉冲的关键方法。2012年，诺贝尔奖授予了塞尔日·阿罗什和戴维·瓦恩兰，他们在实验方法上实现了对单个量子体系（如囚禁离子和原子）的精确操纵与测量，为量子操控技术奠定了坚实基础。此外，更早的量子技术相关突破还包括BCS理论、约瑟夫森效应、冷原子玻色-爱因斯坦凝聚等，不一而足。量子技术之所以受到持续且广泛的关注，正源于其在未来信息技术领域所展现的巨大应用潜力。

计算机学院银河鲲腾团队简介

量子信息技术中的量子计算技术对于未来计算科学的发展具有至关重要的意义，并将深刻影响社会生活的各个方面。milan米兰官网计算机学院前瞻性地布局了量子计算研究，依托计算机学科的优势，成立了银河鲲腾量子计算研究团队。团队聚焦量子计算系统的关键科学前沿问题，形成了覆盖物理体系、系统结构和算法理论的完整研究链条：在物理体系层面，致力于光量子、超导量子、中性原子等方向的探索；在系统结构层面，研究量子测量控制、编程编译等关键技术；在算法理论层面，则深入攻关量子算法与量子纠错等基础理论。团队已取得多项重要成就，包括量子霸权标准、“青果”量子编程编译框架、两层次量子软硬件指令集、国际领先的纠错解码算法、量子人工智能算法、量子信息攻防技术等。团队研制了银河鲲腾QW2020、银河鲲腾VQS16等量子计算系统原型，打造了“鲲腾”品牌，并获得湖南省量子科技一等奖，相关成果发表在《Science Advances》《Physical Review Letters》等国际顶级学术期刊。当前，鲲腾团队正致力于研发大规模可实用的量子计算系统。相信在不久的将来，量子计算的光芒将穿透实验室，照亮寻常百姓的生活