2025年诺贝尔物理学奖授予了约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和约翰·M·马蒂尼斯（John M. Martinis）三位科学家，以表彰他们“在电路中发现了宏观量子力学隧穿效应和能量量子化现象”。通俗地说，他们的实验在一个可以拿在手里的电路芯片上直接观察到了量子力学效应，证明即使是肉眼可见的宏观电路也能表现出典型的量子行为。这一成果被评价为，为新一代量子技术，如量子密码、量子计算机和量子传感器的发展打开了大门。

　　在经典物理中，粒子要越过能量屏障必须具备足够高的能量；但量子力学预言微观粒子可以凭借隧穿效应，有一定概率直接穿过能量屏障。克拉克、德沃雷特和马蒂尼斯通过精巧设计的超导约瑟夫森结电路证实了这一奇异原理在宏观尺度下依然成立：他们让超导电路中的“宏观粒子态”陷在零电压的能量阱中，随后观测到该宏观量子态可以通过隧穿跃迁到有电压的状态，并以电路中出现电压信号的方式检测到了这种跃迁。同时，他们还测量到能量量子化现象：电路中的能量只能取特定的离散数值，这意味着单个约瑟夫森结就像原子一样具有分立能级。这些发现首次在实验上证明，大量电子组成的整体可以作为一个量子态来行为，量子力学规律并不局限于微观世界。

　　上述实验是在1984-1985年间完成的。当时三位获奖者构建了一个由超导材料组成的环状电路，并在其上制造出一个超薄的绝缘层形成约瑟夫森结，精确控制并测量电路的各项参数。实验表明，该超导环路中的所有电荷载流子可以协同作用，形成一个充满整个电路的宏观量子态。这个宏观量子态初始被困在零电压（超导电流不产生电压降）的稳定状态中，就好比被势垒锁住。然而正如量子力学所预言的那样，该宏观态能够通过隧穿机制逃离“困境”，跨越能量势垒到达有电压的状态——电路两端瞬间出现了可观测的电压，这正是宏观量子隧穿的直接证据。紧接着，研究人员进一步验证了电路只能吸收或发射特定量子的能量（即能级量子化），完全符合量子理论的预言。这一系列开创性实验打破了量子行为仅存在于微观世界的传统观念，在宏观尺度上印证了量子力学原理，为量子技术的实际应用开辟了关键路径。

　　三位获奖者的工作在学术上和技术上都有深远影响。他们第一次证明肉眼可见大小的电路也能够表现出量子现象，回答了量子物理领域关于“量子效应究竟能在多大尺度上出现”的重大问题。更重要的是，他们的实验奠定了超导量子器件的物理基础。

　　他们的成果直接催生了人工原子超导量子比特的概念。这为人工制的量子比特的构造奠定了基础，最终引领到我们今天所看到的量子技术工作。此后不久，研究者们受这一实验启发，在电路中设计出了可以充当量子二能级系统的超导量子比特元件。例如德沃雷特和耶鲁同事在2002年设计出抗环境噪声的Transmon超导量子比特，这种人工原子能够稳定地保持量子态，其发明迅速被全球各大实验室采用，成为超导量子计算机的核心单元设计。可以说，克拉克、德沃雷特、马蒂尼斯三位作为超导量子电路领域的重要奠基人，推动了第二次量子革命浪潮。目前，无论在量子计算的可扩展性还是在量子态的相干控制方面，他们开创的超导量子电路路线都展现出巨大潜力。

　　晶体管等微电子器件本质上都是量子技术的产物，而今年的物理学奖则为下一代量子技术（包括量子密码通信、量子计算机和量子传感器）提供了发展的契机。

　　获奖成果所基于的超导量子器件原理，经过几十年的发展，已逐步走出实验室，转化为实际技术和产业应用。在专利方面，三位科学家及其团队均有诸多相关发明。约翰·克拉克早年在超导量子干涉器（SQUID）技术领域作出重大贡献，其团队开发的超导量子传感器被用于超低场核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）设备，并申请了PG电子官方网站 PG电子网址相关专利。专利号为US6023161A，题目为“低噪声SQUID”，利用 DC SQUID 磁强计在微特斯拉PG电子官方网站 PG电子网址场中检测核磁共振信号，预极化磁场仅在毫特斯拉级，使 MRI 扫描仪体积小、成本低；可用于检测人体关节、早期肿瘤筛查、油井测井等。

　　米歇尔·德沃雷特则专注于超导量子电路的量子信息处理，他与合作者发明了多种提高量子比特性能的电路设计。例如，他团队提出将两种不同类型的超导量子比特相耦合以相互抵消不良非线性，从而实现高保真度操作的约瑟夫森非线年获得了美国专利授权。这些创新为超导量子芯片的大规模集成和误差校正提供了重要技术支撑。相关专利号为US12364169B2，题目为非线性特性的振荡器，提出了一种新型量子振荡器设计和操作方法，该方法通过减少量子振荡器的裸非线性，使其低于传统认为的必要水平，同时将驱动频率调整到偏离非线性振荡器典型驱动频率的值。这种调整后的驱动频率可能与传统频率大不相同，甚至可能是预期会导致低相干时间的频率，但在减少非线性的设计下，可以实现更长的相干时间。

　　超导量子处理器。此后几年内，马蒂尼斯团队开发出了一系列关键工艺，例如低温下稳定连接上百条控制线的量子芯片封装技术，并据此申请了多项专利：例如，他们设计的一种用于量子硬件的T型接头连接器有效提升了信号传输的可靠性。值得一提的，相关发明由谷歌公司申请，并于2025年7月获批美国专利。在马蒂尼斯的主导下，谷歌于2019年成功研制出53比特的超导量子计算芯片Sycamore。专利号为US12361306B2，题目为量子计算系统的T型接头。用于将柔性电路板通过真空腔连接到量子硬件的 T 形弹簧接头，采用超导弹簧互连，提高了量子芯片封装的稳定性，是大规模量子处理器封装技术的关键部件。

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