在量子力学诞生百年之际，瑞典皇家科学院将2025年诺贝尔物理学奖授予量子物理学家约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯，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。

简单地说，这3位科学家用一个能放在手上的电路，打破了微观世界与宏观世界的界限，把量子力学的“神奇魔术”变成看得见的实验现象，从而为量子计算、量子传感、量子密码等未来科技铺平了道路。

成果示意图  图/诺贝尔奖官网

量子世界的两个“魔术”

为便于说明问题，先从“量子”这个概念谈起。量子是现代物理的重要概念，即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，其最小单位就被称为“量子”。而“量子世界”，就是指由这些遵循量子力学规律的微观粒子所构成的体系。

想理解2025年诺贝尔物理学奖成果，应抛开关于宏观世界的一般常识，毕竟量子世界的现象用常理根本无法解释。

量子隧穿效应。在经典物理学中，如果把一个皮球扔到墙上，皮球就会弹回来；但在微观世界，一个单独的粒子有时却具有“穿墙术”，能直接穿过障碍，这种现象就叫“量子隧穿”。

1928年，物理学家乔治·伽莫夫首次应用量子隧穿理论，成功解释了某些原子核的衰变正是因为粒子 “穿墙”的结果。几十年来，科学家普遍认为，这只是微观粒子特有的“技能”，宏观物体绝不会发生这种现象。试想，人冲向墙壁，肯定不能不留痕迹地穿过去，而是撞得头破血流。

量子隧穿概念图  图/视觉中国

能量量子化。在生活中，温度、亮度都是连续变化的；但量子世界的能量，却像上下楼梯一样，只能一级一级地增减，不会停在两级之间。一句话，微观粒子吸收或释放能量，只能定量跳级进行。

这两个现象听起来很科幻，更别说在宏观世界看到了。但上述3位科学家做到了，他们用一个肉眼可见的电路，展现出了只有微观粒子才独有的特性。

让电子“齐步走”的超导电路

的确，3位科学家用超导体和绝缘材料构成的特殊电路，完成了宏观上的量子效应实验。

超导体能让电流零电阻流动，就像给电子开辟了“无障碍高速公路”。更奇妙的是，在超低温下，超导体里的电子会两两配对，形成叫“库伯对”的小团体，它们不再是各行其是，而是像齐步走那样，整齐划一地运动。于是，超导体中的所有库珀对可被视为一个整体，这是宏观上实现量子隧穿的关键。

再把两个超导体用一层极薄的绝缘片隔开，相当于在电子的“高速公路”中间加了一堵薄墙。这种结构被称为“约瑟夫森结”。按常理，绝缘层不导电，会把电流挡住；但是，量子世界的“魔术”却在此上演。

1984—1985年，美国加州大学伯克利分校的实验室里，克拉克、德沃雷和马蒂尼斯反复调试这个特殊电路。他们把电路降温到接近绝对零度（约-273℃），这时电路里的库伯对构成了一个“宏观大粒子”——它们虽然由无数电子组成，却表现得像单个电子一样。

起初，这个“宏观大粒子”处于“零电压但有电流”的状态，能流动但不能跨越障碍，如同被挡在无法跨越的势垒之后。但在实验中，通过相应操控，却观测到了不可思议的现象：“宏观大粒子”竟然像单个粒子一样，“穿过”绝缘层这堵“墙”，从零电压跳到有电压状态，从而实现了宏观层面的量子隧穿效应。

实现了简化版“薛定谔的猫”

这个实验的重大意义，相当于在实验室中实现了“薛定谔的猫”的简化版，证明宏观系统可遵循量子规律。

1935年，物理学家薛定谔设想：把猫关在装有放射性物质和毒气瓶的箱子里，放射性物质衰变时，会触发机关打碎毒气瓶，猫会被毒死；反之，猫还活着。那么，当开箱看时，就能确定猫的死活；若不开箱看，猫就处于死与活的叠加态。这一假想巧妙地说明了量子学说的一个观点：不观测时，系统处于多种状态的叠加态；一旦观测，系统就会“坍缩”到一个确定的状态。这种在宏观世界看起来极为荒谬的现象，恰恰是量子世界的常态。但长期以来，人们认为这种量子叠加态只存在于微观世界，对于宏观物体来说，不可能发生。

“薛定谔的猫”示意图  图/网络

而3位科学家的实验，是宏观量子现象研究中的一个里程碑，他们首次在这样设计精巧的人造宏观电路中清晰地证实了量子叠加等特性。虽然在宏观尺度上，人们确实无法在实验室中真正展示一只猫的量子叠加态，然而这一系列实验表明，确实存在一些现象，其中大量粒子共同表现出量子力学所预测的行为。在量子物理学家看来，它与“薛定谔的猫”在本质上是相当类似的。

诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松对此评价道：“能见证拥有百年历史的量子力学不断带来新惊喜，真是太棒了。它也极为有用，因为量子力学是所有数字技术的基础。”

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2025年诺贝尔化学奖：给分子世界造“宫殿”

2025年诺贝尔化学奖花落3位科学家，他们分别是北川进、理查德·罗布森和奥马尔·M·亚吉，以表彰他们在金属有机框架开发方面作出的贡献。

金属有机框架其实是精巧的“分子建筑”，以金属离子当“角点”，用有机分子做 “梁柱”，搭成内部满是空腔的三维晶体，像一座能容纳分子的 “宫殿”。这种结构能让气体、液体自由进出。选择不同“角点”和“梁柱”，就能造出功能各异的材料。

20世纪80年代，罗布森就用铜离子和一种四臂分子搭出首个这类晶体，虽因材料脆弱遭质疑，却打开了研究的大门。后来，北川进证明了这类材料脱水后仍能保持稳定，能像呼吸那样吸、放气体，有应用潜力。亚吉则将这类材料命名为“金属有机框架”，并合成经典的MOF-5型，它能在300℃高温下保持稳定，真正得到实际应用。

如今，这类材料已被用在沙漠空气取水、捕获二氧化碳、净化污染物、储存氢能等方面，成为应对环境与能源挑战的利器。

成果示意图  图/诺贝尔奖官网

量子科技的“地基”已夯实

这项诞生于20世纪80年代的研究，早已为今天的量子科技突破埋下种子。

常见的计算机芯片，其实是基于量子力学原理的成熟技术。而3位科学家的发现，为下一代量子技术打开了大门。他们打造的超导电路，就像一个“人造原子”，既有原子的量子特性，又有电路的可操控性，能轻松嵌入各种实验装置，成为量子技术的核心部件。

如今炙手可热的量子计算机，正是这项技术的重要应用。马蒂尼斯后来参与的谷歌“量子霸权”实验，就得益于这种超导电路的发展。大家知道，量子计算机能完成传统计算机无法企及的任务，比如有潜力在未来破解当前广泛使用的复杂密码、精准模拟化学反应等；而宏观量子效应的发现，为增强量子计算机的稳定性和可操控性，提供了关键技术的支撑。

此外，它还能推动量子密码学和量子传感器的发展。量子密码学的应用，能确保现代通信更加安全，因为任何窃听都会改变量子状态，这种状态可被仪器立马发现；量子传感器则能实现超高精度的测量，在医疗、地质勘探等领域发挥重大作用。

可以说，这项成果能让人们在更大尺度上研究量子世界。

谷歌在2024年12月发布的“柳木”量子芯片  图/视觉中国

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2025年诺贝尔生理学或医学奖：让免疫系统“自己人不打自己人”

2025年诺贝尔生理学或医学奖被授予科学家玛丽·E·布伦科、弗雷德·拉姆斯德尔和坂口志文，以表彰他们揭开“外周免疫耐受” 机制的突破性贡献，找到了防止免疫系统 “自相残杀” 的关键。

人体免疫系统就像一支军队，既要抵御病菌入侵，又得避免误伤自身组织。过去，学界认为，免疫细胞在胸腺中会通过“中枢耐受”筛选，攻击自身的细胞会被清除。但是，坂口志文在1995年发现，仍有 “漏网之鱼” 进入身体外周；而一种“调节性T细胞”能监控它们，防止自身免疫疾病，这便是“外周免疫耐受”的核心机制。

这一发现曾受质疑，直到2001年，布伦科与拉姆斯德尔找到关键证据：一种患免疫病小鼠的病因是Foxp3基因突变；人的这种基因突变，也会引发致命的免疫病。2003年，坂口志文进一步证实，Foxp3是调节性T细胞的“主控基因”，如同免疫调解员，能让免疫反应精准适度，避免误伤自身。

基于这一发现，针对1型糖尿病、类风湿关节炎的新疗法已进入临床试验，还能助力器官移植减少排异反应，为免疫病患者带来希望。

成果示意图  图/诺贝尔奖官网

结束语

2025年恰逢量子力学诞生百年，而这3位科学家的获奖成果，无疑是献给这个研究领域的最好的生日礼物。这个能放在手上的“量子魔术盒”，让人看到了量子科技从理论走向现实的光明前景。

未来，当量子计算机走进千家万户，当量子传感器服务于日常生活，我们会想起，正是这3位科学家用智慧搭建的桥梁，让我们跨越微观与宏观的鸿沟，真正触碰到了量子世界的神秘之处。而这一切，正是科学最迷人的地方：它总能在看似不可能的地方，开辟全新的天地！

2025世界制造业大会上展出的第四代“本源悟空”量子计算机模型  图/视觉中国

（文/席金合）

来源: 江苏省科学传播中心

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