瑞典皇家科学院近日宣布，将2025年诺贝尔物理学奖授予美国加州大学伯克利分校的约翰?克拉克（John Clarke）、耶鲁大学的米歇尔?H·德沃雷特（MichelH.Devoret），以及加州大学圣芭芭拉分校的约翰?M·马蒂尼斯（John M.Martinis），以表彰他们在电路中实现宏观量子力学隧穿效应和能量量子化方面的贡献。这一突破为如今备受关注的超导量子计算筑牢了实验基础，也让人类对量子世界的认知从微观延伸到宏观尺度。
在“看得见的尺度”里找到量子踪迹
三位科学家的成果发现，主要集中在1985年发表的两篇《物理评论快报》论文中（分别于当年6月、7月投稿）。这两篇论文解决了一个困扰物理学界多年的问题：量子力学的规律，只能解释原子、电子这样的“微观粒子”吗？能不能在肉眼可感知的“宏观尺度”上显现？
他们用实验给出了答案，而实验的核心工具，是一种叫“约瑟夫森结”的微型结构——它由超导材料和绝缘层交替叠加而成，大小约10微米（差不多是头发丝直径的1/5），远大于传统量子研究的“微观尺度”。借助这个工具，他们实现了两大突破。一是观测到“宏观量子隧穿”：简单理解，就是超导电流能像“穿墙”一样，穿过本应阻挡电流的绝缘层。这种“穿墙”能力是量子世界独有的特性，以往只在微观粒子中被观测到，这次却在10微米的“宏观结构”中出现了。二是确认了电路中能级是分离而非连续：在我们熟悉的经典物理中，能量是连续变化的（比如灯光可以从暗到亮慢慢调节）；但在量子世界，能量是“分台阶”的——只能在特定“能级”间跳跃，不能停在两个“台阶”中间，这就是“量子化”。其创新在于利用超导电路（如约瑟夫森结）作为宏观量子系统，通过缓慢增加电流并测量电压变化，直接验证了量子力学在宏观尺度的普适性。
要完成这样的实验，除本身的开创性设计外，还得有“硬核装备”支撑：一是能制造微型“约瑟夫森结”的光刻机，二是能提供极低温环境的稀释制冷机——实验温度低至20毫开——800毫开（比绝对零度-273.15℃只高0.02℃——0.8℃）。值得一提的是，这项成果的原始工作是在加州大学伯克利分校完成，当时克拉克是教授，德沃雷特是博士后，而马蒂尼斯是高年级博士生，两篇文章也只有三个人署名。
从“基础研究”到“量子计算”的桥梁
三位科学家的工作，本质上是量子力学基础原理的突破，而非超导量子计算技术的直接实现，但它为后续技术发展铺就了道路。一方面，其成果验证了理论预测、拓展了量子力学的适用范围，早在1970年代，物理学家安东尼? 莱格特（AnthonyLegget）就预测宏观系统也可能表现出量子特性，却一直缺乏实验证据，而本次诺奖成果正是用实验验证了这一猜想，让人类对量子规律的认知从“微观”延伸到“宏观”；另一方面，它为超导量子计算提供了“物理基础”，量子计算的核心是“量子比特”（类似传统计算机的“比特”，但能同时表示“0”和“1”），超导量子比特的设计就依赖于本次获奖的“宏观量子效应”，比如通过微波场控制约瑟夫森结的量子态，可让量子比特在不同能级间切换，利用量子隧穿效应，能实现量子比特的信号读取与操控，而且他们后续的系列工作极大地推进了超导量子计算的发展，尤其是马蒂尼斯，2014——2019年领导谷歌量子团队时，于2019年用53个超导量子比特构建了“悬铃木”（Sycamore）芯片，首次实现了“量子霸权”（即量子计算机完成了传统超级计算机难以在短时间内完成的计算任务）。
不少人觉得这项1985年的成果到2025年才获奖“有点晚”，也有人疑惑“为什么不直接表彰量子计算”，其实这背后体现了诺贝尔物理学奖的评选逻辑。一方面，获奖核心是“基础研究突破”而非“技术应用”，正如普林斯顿大学教授纳塔莉?德?莱昂（Na-thaliedeLeon）所说，“能在宏观系统中观测到量子现象，是后续量子处理器开发的起点”，诺奖表彰的正是验证宏观量子效应的这一“起点”工作，而非后续基于此发展出的量子计算技术；另一方面，不直接提“量子计算”是为了保持奖项的“客观性”，因为超导量子计算只是量子计算的“技术路线之一”，除此之外还有中性原子量子计算、离子阱量子计算、光量子计算等，诺奖通常不会为“尚未完全成熟、存在多条竞争路线”的技术颁奖，而是优先认可“已被验证、对整个领域有奠基意义”的基础研究，同时这也为未来留下了空间，若量子计算技术最终走向成熟，相关贡献者仍有机会获得诺奖。所以可以把今年的诺奖理解为量子力学基本原理、超导和量子计算的交叉部分。
国内外研究进展
回顾这一领域的发展历程，我国经历了从早期落后到后来居上、再到如今与国外并驾齐驱、交替领先的转变。1985年三位科学家开展实验时，我国科研条件存在明显短板，极低温设备方面，直到1980年代才拥有能达到较低温度的稀释制冷机，2000年左右国内也仅有中国科学院物理研究所、中国科学技术大学两家单位能实现实验所需的“十几毫开”极低温，加之当时对“宏观量子效应”这一前沿方向关注较少、人才储备不足，我国未能参与到超导器件宏观量子隧穿和量子化能级方面早期奠基性研究中。
2000年后，我国开始发力追赶。中国科学院物理研究所依托已有的稀释制冷机及在超导薄膜、超导机理研究上的积累，赵忠贤院士、王恩哥院士、苏肇冰院士等专家建议开展超导量子计算研究，并于2005年成立固态量子信息与计算实验室。此后逐步实现关键突破，2006年物理所首次在国内完成宏观量子隧穿测量，2010——2012年又相继实现国内首个超导相位比特、磁通比特，既填补了技术空白，也为我国培养了首批超导量子计算人才。
当前，中国在超导量子计算发展中，和国外总体处于并驾齐驱、交替领先态势。例如，谷歌在2018——2019年最多实现9个量子比特时，中国科学院物理研究所与浙江大学合作率先实现10比特、20比特的量子纠缠。中国科学技术大学“祖冲之”系列芯片持续取得创新成果，物理所和北京量子信息科学研究院“夸父”量子计算云平台上线也是重大创新成果，与国外同步发展。近些年，国内外超导量子计算一直保持着高速发展的态势。国外的谷歌、IBM、IQM、Regeti等企业，以及麻省理工学院（MIT）、瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）、芝加哥大学、查尔姆斯理工大学、普林斯顿大学，还有国内的中国科学院物理研究所、中国科学技术大学、浙江大学、北京量子信息科学研究院、南方科技大学等诸多高校和科研机构，都投入了极大力量开展超导量子计算研究。目前，超导量子计算芯片的比特数已经超过100比特，科学家们正在向着千比特量级的目标稳步前行。
启示与展望
2025年诺贝尔物理学奖不仅是对三位科学家的表彰，更给我国科技发展带来了多重启示。首先，掌控“极端条件”才能突破“认知边界”。今年的诺贝尔物理学奖颁发给在超导宏观量子效应方面作出“0到1”突破的团队，甚至不是超导量子比特“0到1”突破的团队，这反映了其重视原始创新的理念。但也应该注意到，其背后的实验依赖于光刻机这一先进设备，也依赖于稀释制冷机所提供的极端条件（实验大致在20毫开极低温）。我们现在惊叹于美国在20世纪80年代已经拥有如此先进的设备，也期望我国在“基础科研设施”上持续投入，为原始创新提供“硬件保障”。科技人员应按照“向极端条件迈进、向极综合交叉发力，不断突破人类认知边界”的方向发力。
其次，量子计算“不赌路线”才能立于不败之地。基于今年诺奖成果所确立的宏观量子现象是超导量子计算的基础，但2025年诺奖并不意味着超导量子计算更具发展前景。事实上，超导量子计算与中性原子量子计算、离子阱量子计算、光量子计算等处于同等竞争的位置，而且从比特数来看，里德堡原子量子计算已达到千比特级别，但若综合考虑操控速度和稳定性等因素，各种技术路线仍各有优劣。作为中国这样的科技大国，在量子计算尚处于发展初期的特殊阶段，在技术路线选择上，不盲目猜测和赌博，同时鼓励多团队、多方位创新，能够做到全面布局。在发展前景明晰的情况下再作出战略选择，才能立于不败之地。
最后，基础研究要“有耐心”，技术转化要“有定力”。从1985年的基础发现，到2019年的“量子霸权”，再到如今的百比特芯片，超导量子计算的发展历经近40年。这提醒我们，基础研究需要秉持“长期主义”，不能急于求成；技术转化也要“循序渐进”，不能忽视基础研究的支撑作用。未来，我国既要持续支持像“宏观量子效应”这样的基础研究，也要推动基础研究成果向技术应用转化，才能在量子科技竞争中赢得长远优势。
总的来说，2025年诺贝尔物理学奖是对“宏观量子效应”这一基础研究的认可，也为量子科技的未来发展指明了方向，对于我国而言，当前正是在量子计算领域实现“从并跑到领跑”的关键时期，只要坚持“基础先行、多路线布局、久久为功”，就能在这一前沿领域占据主动，为全球量子科技发展贡献中国力量。
（作者系中国科学院物理研究所固态量子信息与计算实验室主任）
