2025諾貝爾物理學獎：他們發現了巨觀量子穿隧效應，奠定了量子科技的基礎！克拉克、德沃雷、馬丁尼斯三人同獲殊榮

斯德哥爾摩瑞典皇家科學院7日公布2025年的諾貝爾物理學獎，由美國學者克拉克（John Clarke）、米歇爾·德沃雷（Michel H. Devoret）與約翰・馬丁尼斯（John M. Martinis）同獲殊榮，諾獎委員會稱其因「發現電路中的巨觀量子力學穿隧效應與能量的量子化」獲獎。

今年的三位物理學獎得主其實分別出生於英國劍橋、法國巴黎與美國，三人分別是劍橋大學博士、巴黎第十一大學博士跟加州大學柏克萊分校博士。不過這三位物理學大師如今都在美國任教，克拉克在加州大學柏克萊分校、德沃雷在耶魯跟加州大學聖塔芭芭拉分校、馬丁尼斯也是加大聖塔芭芭拉分校教授。

眾所周知，量子力學是解釋微觀世界的物理學，但這個微觀到底要多微小呢？我們又如何可能在這個巨觀世界應用甚至操控量子力學呢？根據諾獎委員會的新聞稿，約翰·克拉克、米歇爾·德沃雷和約翰·馬丁尼斯1984年起利用由超導體構成的電路進行了一系列實驗。超導體是一種在極低溫下電阻會完全消失的神奇材料，在他們所設計的電路中，超導元件被一層薄薄的非導電材料隔開，透過改進和測量電路的各種特性，使其能夠控制和探索電流通過時產生的現象。帶電粒子在超導體中移動，共同構成了一個系統，其行為就像一個充滿整個電路的單一粒子。

這個巨觀粒子系統原本處於一種無電壓、有電流流動的狀態。系統被困在這種狀態，彷彿被一道無法逾越的能量障壁（即「約瑟夫森接面」，Josephson Junction）所阻擋。按照古典物理學的邏輯，如果電流的能量不足，它們應該會被這道牆完全擋住，但實驗結果卻讓整個物理學界為之震動。三位物理學家觀測到，即使在能量不足的情況下，整個系統依然成功「逃脫」了被困住的零電壓狀態，產生了電壓。這意味著，構成電流的、數量龐大的「宏觀粒子」展現了純粹的量子行為，以穿隧效應的形式，整體「鑽」過了那道能量障壁。​

這意味著長久以來，量子力學那些令人腦洞大開的現象——例如波粒二象性、量子糾纏、量子穿隧——似乎只是屬於原子、電子等微小存在的專利。然而今年的諾貝爾物理學獎得主，卻以巨觀粒子系統，徹底顛覆了這個傳統認知，這也是人類第一次在肉眼可見（儘管是透過儀器測量）的宏觀系統中，觀測到量子穿隧效應。而且三位桂冠得主的貢獻不止於此。他們不僅證明了「宏觀穿隧」的可能性，更進一步驗證了這個宏觀系統的另一個關鍵量子特性：「能量量子化」（Quantised Energy Levels）。

在我們的宏觀世界裡，能量的變化是連續的。你可以將車速從時速50公里，平滑地加速到50.1、50.2公里。但在量子世界，能量的吸收或釋放，更像是上下樓梯，只能一階一階地跳、不能停留在兩階之間。一個系統只能處於某些特定的、不連續的能量狀態上。透過對超導電路進行精密的測量與控制，三位科學家證實這個「宏觀粒子」系統在與外界交換能量時，只會吸收或放出特定大小的能量「包裹」，其行為模式與量子力學的預測完全吻合。這無疑證明了該系統並非某種古典物理的巧合，而是展現了量子力學的特性。

克拉克、德沃雷與馬丁尼斯的研究，等於開啟了量子技術的大門，實現了對宏觀量子系統的「主動操控能力」，這也正是未來量子科技的核心。諾貝爾物理學獎委員會主席奧勒·埃里克森表示：「能夠慶祝百年量子力學不斷帶來新的驚喜，真是太棒了，因為量子力學是所有數位技術的基礎。」諾獎委員會指出，電腦晶片中的電晶體是成熟運用量子技術的一個例子。今年的諾貝爾物理學獎更為開發下一代量子技術提供了基石，也包括量子密碼學、量子電腦和量子感測器等新興領域。

從1901年至2024年，諾貝爾物理學獎已頒發118次，共有226位得主。人工智慧先驅約翰·霍普菲爾德（John Hopfield）和傑弗里·辛頓（Geoffrey Hinton）去年因奠定機器學習的基石，共同榮獲物理學獎。至於歷來最年輕的諾貝爾物理學獎得主，首推1915年以「藉由X光分析晶體結構」獲獎的勞倫斯·布拉格（Lawrence Bragg，時年25歲），最年長的獲獎者則是2018年得主亞瑟·艾許金（Arthur Ashkin，時年96歲），得獎理由是「發明光鑷及其在生物系統中的應用」。

瑪麗·E·布朗柯（Mary E. Brunkow）、弗雷德·藍斯德爾（Fred Ramsdell）和坂口志文博士因發現免疫系統如何攻擊細菌而不是我們自己的身體，共同獲得今年的諾貝爾生理學或醫學獎。接下來陸續公布的是化學獎（8日）、文學獎（9日）、和平獎（10日）、經濟學獎則是13日。至於頒獎典禮則將於12月10日舉行，這一天也是諾貝爾獎創始人阿爾弗雷德·諾貝爾（Alfred Nobel）的忌日。

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