三位科学家因奠定量子计算机基础获2025年诺贝尔物理学奖
10月8日,瑞典皇家科学院将2025年诺贝尔物理学奖授予加州大学伯克利分校的约翰·克拉克、耶鲁大学的米歇尔·德沃雷,以及谷歌量子人工智能实验室前成员约翰·马丁尼斯,以表彰他们"在电路中发现了宏观量子隧穿效应和能量量子化现象"。这三位科学家的实验证明,奇特的量子力学规则可以操控普通电路——这项发现为后来量子计算机的实现铺平了道路。
从理论奇观到实用硬件
在20世纪70年代末至80年代期间,研究团队通过实验证明:当超导环在接近绝对零度环境下冷却时,会表现出类似"巨型人造原子"的特性——能在离散能级间跃迁,并实现曾被认定仅存在于亚原子尺度的"量子隧穿"效应。
他们的发现将理论构想转化为实体硬件。通过证实量子行为可被人工设计,三人为超导量子比特(目前谷歌、IBM等公司研制的量子计算机原型中使用的核心元件)的发展奠定了基础。
连接量子与宏观世界的桥梁
在此项突破之前,展现不确定性、隧穿效应和叠加态等特性的量子力学现象,科学家们仅能在原子或光子等微观系统中观测到。没有人知道这些效应是否能在宏观尺度的电路中显现。
"我们证明了完全可以通过设计电路(导线、环路、约瑟夫森结)来实现量子力学行为,"克拉克在诺贝尔新闻发布会电话连线中表示,"这些电路可以在量子态保存信息——这正是量子比特的功能核心。"(量子比特是量子信息的基本单元,与经典比特只能处于0或1状态不同,量子比特可以同时处于两种状态的"叠加态",这使得量子计算机能够并行处理大量可能性。)
迟来的认可与深远影响
这项荣誉距离原始研究已过去约四十年,反映出诺贝尔委员会往往等待某个理念产生不可否认的全面影响后才予以认可的传统。物理类诺奖常常姗姗来迟:这种长时滞模式更像是对"彻底重塑某个领域"的最终确认,而非单纯的终身成就表彰。
如今,这个曾被视作边缘课题的"宏观电路量子效应"研究,已然成为价值数十亿美元的量子科技产业的支柱。过去几年中,基于超导量子比特的机器已能进行初步的化学模拟和密码学测试,标志着这个曾经深奥的物理分支已转化为实用技术。
量子时代的安全挑战与机遇
量子计算为密码学带来双重影响:一方面,强大的量子计算机终将威胁现行公钥加密体系(保护比特币钱包、区块链签名和互联网交易的RSA与椭圆曲线算法),因其能以指数级速度破解大数分解等数学难题;另一方面,量子原理也催生了抗量子攻击的经典算法(后量子密码学)以及利用量子纠缠实现窃听检测的量子密钥分发技术。
瑞典皇家科学院通过表彰这项连接量子与经典世界的实验,再次印证了诺奖的永恒主题:将看似矛盾的量子怪异现象,转化为价值数十亿美元新兴产业的实践基础。