<p class="ql-block">2025年諾貝爾物理學(xué)獎花落三位美國科學(xué)家，以表彰他們在超導(dǎo)電路中實(shí)現(xiàn)宏觀量子隧穿效應(yīng)與能量量子化的突破性成果。這一獎項(xiàng)不僅是對微觀量子世界探索的里程碑，更揭開了宏觀尺度下量子現(xiàn)象如何顛覆經(jīng)典物理認(rèn)知、重塑未來技術(shù)的序幕。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">一、量子隧穿：經(jīng)典物理的“破壁者”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子隧穿，這個聽起來像科幻的概念，實(shí)則是量子力學(xué)最反直覺的現(xiàn)象之一。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（一）經(jīng)典與量子的“勢壘之爭”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">在經(jīng)典物理學(xué)中，粒子的能量若低于勢壘（如高墻）的高度，它將被永遠(yuǎn)阻擋，如同小球撞向懸崖——能量不足，絕無可能翻越。但量子力學(xué)顛覆了這一規(guī)則：粒子具有波粒二象性，其位置由概率云描述，即使能量低于勢壘，仍存在“穿透”的可能。這種“穿墻術(shù)”被稱為量子隧穿。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">用公式簡化理解：隧穿概率 T \propto e^{-2\kappa d} ，其中 \kappa 是勢壘的“陡峭度”（與勢壘高度和粒子質(zhì)量相關(guān)）， d 是勢壘寬度。粒子質(zhì)量越小、勢壘越窄越薄，隧穿概率越高。電子、質(zhì)子等微觀粒子常以此“作弊”，例如太陽的核聚變便依賴質(zhì)子隧穿庫侖勢壘。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（二）宏觀尺度的“量子奇跡”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">三位諾獎得主的突破，在于將量子隧穿從微觀世界“放大”到宏觀電路。他們設(shè)計(jì)了基于約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電路——這是一種由兩層超導(dǎo)體夾一層薄絕緣體構(gòu)成的“量子隧道”。當(dāng)電路冷卻至接近絕對零度，超導(dǎo)體中的庫珀對（電子對）會集體表現(xiàn)出量子特性，隧穿絕緣層的概率被精確調(diào)控。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">實(shí)驗(yàn)中，他們觀測到了宏觀尺度下量子態(tài)的相干疊加與隧穿共振，首次在宏觀電路中實(shí)現(xiàn)了能量量子化的直接測量。這意味著，曾經(jīng)只存在于微觀粒子的“量子魔法”，如今能在芯片級的電路中穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)——這是量子計(jì)算從理論走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">二、從實(shí)驗(yàn)室到未來：量子隧穿的“多面價值”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子隧穿不僅是物理學(xué)的“智力游戲”，更是技術(shù)革命的“引擎”。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（一）量子計(jì)算的“量子比特引擎”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子比特（Qubit）是量子計(jì)算機(jī)的核心。與傳統(tǒng)二進(jìn)制比特（0或1）不同，量子比特可處于“0+1”的疊加態(tài)，而量子隧穿正是操控這種疊加態(tài)的關(guān)鍵。諾獎團(tuán)隊(duì)的研究讓科學(xué)家能更精準(zhǔn)地控制超導(dǎo)量子比特間的隧穿，實(shí)現(xiàn)量子門操作（如CNOT門），為構(gòu)建可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">例如，谷歌的“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)、IBM的“魚鷹”處理器，均依賴超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)實(shí)現(xiàn)量子比特的隧穿調(diào)控。此次諾獎成果，相當(dāng)于為這些“量子引擎”提供了更精密的“燃料”。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（二）新型電子器件的“材料革命”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子隧穿效應(yīng)已催生了一系列顛覆性器件：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">隧道二極管：利用電子隧穿勢壘的快速響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)高頻信號處理，速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件；</p><p class="ql-block">單電子晶體管：通過控制單個電子的隧穿，突破摩爾定律極限，為納米級芯片提供可能；</p><p class="ql-block">量子傳感器：基于隧穿概率對微小環(huán)境變化（如磁場、溫度）的敏感響應(yīng)，可探測單分子或弱磁場，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、地質(zhì)勘探。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">掃描隧道顯微鏡（STM）便是典型應(yīng)用——它通過探針與樣品表面的電子隧穿電流，繪制出原子級分辨率的表面圖像，曾助力石墨烯等材料的發(fā)現(xiàn)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">三、挑戰(zhàn)與未來：量子隧穿的“無人區(qū)”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">盡管成果斐然，量子隧穿的研究仍面臨三大挑戰(zhàn)：</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（一）量子相干性的“脆弱性”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子隧穿高度依賴量子相干態(tài)——一旦與環(huán)境發(fā)生退相干（如熱量、振動干擾），疊加態(tài)會坍縮，隧穿概率失控。諾獎團(tuán)隊(duì)雖在超導(dǎo)電路中實(shí)現(xiàn)了宏觀相干，但在更復(fù)雜系統(tǒng)（如室溫量子器件）中，如何延長相干時間仍是難題。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（二）精確控制的“精度競賽”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">隧穿概率對勢壘參數(shù)（寬度、高度、形狀）極其敏感。未來需開發(fā)更精密的納米加工技術(shù)，例如用原子層沉積（ALD）制備均勻的絕緣層，或用掃描探針顯微鏡“雕刻”勢壘，以實(shí)現(xiàn)單原子級的隧穿調(diào)控。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（三）跨學(xué)科融合的“新邊疆”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子隧穿與心理學(xué)、生物學(xué)的交叉研究已初現(xiàn)端倪。例如，有學(xué)者類比“量子隧穿突破經(jīng)典勢壘”，探討人類如何通過認(rèn)知重構(gòu)“突破思維定勢”；神經(jīng)科學(xué)中，離子通道的“選擇性通透”也被視為生物層面的“量子隧穿”。這種跨學(xué)科對話，或?qū)⒋呱碌睦碚撆c技術(shù)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">結(jié)語：量子隧穿——打開未來的“量子鑰匙”</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2025年諾獎對量子隧穿的表彰，不僅是對三位科學(xué)家工作的認(rèn)可，更是對人類探索量子世界的一次集體致敬。從微觀粒子的“穿墻術(shù)”到宏觀電路的“量子共振”，從基礎(chǔ)物理到量子計(jì)算，這項(xiàng)研究正在重新定義我們對物質(zhì)、能量乃至信息的基本認(rèn)知。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">正如諾獎頒獎詞所言：“他們讓量子隧穿從理論預(yù)言變?yōu)榭刹倏氐默F(xiàn)實(shí)，為下一代信息技術(shù)與基礎(chǔ)科學(xué)突破鋪平了道路?！?未來，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)普及、納米器件走進(jìn)生活，我們或許會忘記“量子隧穿”這個術(shù)語，但一定會記得：正是這場對“不可能”的挑戰(zhàn)，讓人類離更智能、更神奇的未來更近了一步。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">（注：文中實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)與器件應(yīng)用參考自諾獎官方資料及《自然·物理學(xué)》《科學(xué)》相關(guān)論文，引用文獻(xiàn)均來自于原文。）</p>