▲約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯。物理圖/諾貝爾獎委員會(huì )官網(wǎng)

在量子力學(xué)誕生百年之際，學(xué)家信成2025年10月7日，獲諾瑞典皇家科學(xué)院宣布，獎們將2025年諾貝爾物理學(xué)獎授予約翰·克拉克、讓微米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯三名量子物理學(xué)家，波通以表彰他們在電路中實(shí)現宏觀(guān)量子力學(xué)隧穿效應和能量量子化方面的名量貢獻。

量子力學(xué)在1925年誕生，物理今年正值百年。學(xué)家信成諾貝爾物理學(xué)委員會(huì )主席奧勒·埃里克松當天表示，獲諾百年來(lái)量子力學(xué)不斷帶來(lái)新的獎們驚喜，它大有用處，讓微為數字技術(shù)提供了基礎。波通

電路中的名量宏觀(guān)量子力學(xué)隧道效應和能量量子化是什么東西，有什么用，相信很多人仍不知就里，甚至滿(mǎn)頭霧水。

按照頒獎?wù)叩慕忉專(zhuān)衲甑闹Z貝爾獎獲得者在芯片上的實(shí)驗揭示了量子物理學(xué)的實(shí)際應用，他們展示了量子力學(xué)隧道效應和量子能級可以操控于掌中。

發(fā)現微觀(guān)粒子具有“穿墻術(shù)”

簡(jiǎn)單地看，電路中的宏觀(guān)量子隧道（隧穿）效應是指宏觀(guān)物體（如超微顆粒的磁矩或磁通量）表現出穿過(guò)能量勢壘的量子行為。這種效應在納米尺度下比較顯著(zhù)，限制了微電子器件的微型化和信息存儲設備的信息保存時(shí)間。

因此，量子隧道效應，就是指電子等微觀(guān)粒子能夠穿越經(jīng)典物理學(xué)認為不可逾越的能量勢壘的神奇特性。這種現象可以通俗地解釋為“穿墻術(shù)”，在現實(shí)的物理世界上是無(wú)法實(shí)現的，因為電子本來(lái)不具備足夠能量克服勢壘，就如同人不能穿墻而過(guò)一樣。但在量子世界，電子有一定概率以波的形式穿越勢壘，就像挖了一條隧道一樣。

能量量子化是量子理論的核心概念之一，由普朗克在研究黑體輻射時(shí)提出，指的是，微觀(guān)系統中能量的變化是以不連續的、離散的最小單位，即量子的形式進(jìn)行。

就像樓梯的臺階一樣，能量只能存在于特定的能級（能量值）上，而不能存在于臺階之間的任意高度。這與經(jīng)典力學(xué)中能量可以連續變化的觀(guān)念不同。

能量量子化的基本要義是，能量是以最小的基本單位——量子——來(lái)傳遞的。能量的吸收或釋放必須是這些能量子的整數倍。

量子力學(xué)允許粒子使用被稱(chēng)為隧道效應的過(guò)程直接穿過(guò)屏障。一旦涉及大量粒子，量子力學(xué)效應通常就會(huì )變得微不足道。今年獲獎?wù)叩呢暙I就在于，通過(guò)實(shí)驗表明，量子力學(xué)特性可以在宏觀(guān)尺度上具體化。

獲獎?wù)吡硪粋€(gè)重要貢獻是，過(guò)去認為，宏觀(guān)的粒子狀系統最初處于電流流動(dòng)而沒(méi)有任何電壓的狀態(tài)。系統被困在這種狀態(tài)中，仿佛再無(wú)法跨越障礙。通過(guò)實(shí)驗，研究者發(fā)現，該系統通過(guò)隧道效應設法擺脫零電壓狀態(tài)，展示了量子特性。而系統的變化狀態(tài)是通過(guò)電壓的出現來(lái)檢測的。

同時(shí)，獲獎?wù)哌€證明該系統的模式是量子化的，這意味著(zhù)宏觀(guān)的粒子狀系統只吸收或發(fā)射特定量的能量。

讓微波通信成為可能

宏觀(guān)量子力學(xué)隧道效應和能量量子化在生活和工作中的實(shí)際意義在于，它們可應用于半導體設備，如隧道二極管和超導量子干涉器中等。

同時(shí)，量子隧道效應和能量量子化不僅是半導體（智能手機、計算機等電子設備的核心部件）的工作原理，也是太陽(yáng)核聚變產(chǎn)生光與能量的核心機制，并且為半導體、量子計算機、微波通信等未來(lái)的技術(shù)發(fā)展提供關(guān)鍵的理論支撐。

隧道二極管的應用就利用了宏觀(guān)量子力學(xué)隧道效應和能量量子化原理，未來(lái)大有前景。隧道二極管，是一種具有負微分電阻特性的半導體器件，目前在生活中，不如整流二極管、發(fā)光二極管等常見(jiàn)，但在高速電子設備中具有重要應用，如在射頻 (RF) 振蕩器、高頻開(kāi)關(guān)和變頻器中等，都有應用。

而且，隧道二極管在微波通信、雷達系統以及其他高速電子儀器中，也有極為重要的作用，是實(shí)現高頻信號生成和處理的重要元件。其應用于微波通信，可能是未來(lái)生活的另一個(gè)發(fā)展方向，正如今天的光纖通信一樣。

而早在1966年，華裔科學(xué)家高錕便發(fā)表了題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導》的論文，開(kāi)創(chuàng )性地提出光導纖維在通信上應用的基本原理，描述了長(cháng)途及高信息量光通信所需介質(zhì)纖維的結構和材料特性。

之后的20世紀70年代，隨著(zhù)半導體激光器和微處理器的出現，光纖技術(shù)取得了關(guān)鍵突破，光纖通信快速發(fā)展，20世紀80年代光纖通信開(kāi)始廣泛應用于電信行業(yè)。今天，我們所有人使用的寬帶就是光纖通信成果的應用。為此，高錕與其他兩位科學(xué)家獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎。

而現在的宏觀(guān)量子力學(xué)隧道效應和能量量子化，則可能超越光纖通信，發(fā)展到微波通信。這是一種綜合技術(shù)，是將信號以頻率在0.3GHz至300GHz的微波作為載體進(jìn)行通信信號傳輸。其憑借的理論就是宏觀(guān)量子力學(xué)隧道效應和能量量子化。一旦理論突破并轉化到技術(shù)，便可以提供更好更快的無(wú)線(xiàn)寬帶，還可以作為手機、電視、通信衛星的有效信號傳遞。

研究成果將開(kāi)創(chuàng )未來(lái)生活

量子力學(xué)隧道效應，在太陽(yáng)核聚變中同樣作用巨大。

太陽(yáng)通過(guò)核聚變產(chǎn)生的能量會(huì )以光子和粒子的形式從太陽(yáng)的核心向外傳輸，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的多個(gè)層次后，最終以陽(yáng)光和微粒動(dòng)能的形式脫離太陽(yáng)。太陽(yáng)核聚變，可以維持地球上包括人在內的所有生命活動(dòng)，為地球提供光和熱，而且太陽(yáng)核聚變也是永恒而強大的能量源。

太陽(yáng)核聚變正是要利用量子力學(xué)的隧道效應實(shí)現，這種效應允許像質(zhì)子這樣的粒子“穿過(guò)”能量壁壘。

這個(gè)過(guò)程不僅使得太陽(yáng)在相對低的溫度下能夠發(fā)生核聚變，而且其發(fā)生的頻率限制了聚變的速率，從而保證太陽(yáng)能夠維持數十億年的壽命。

今年諾貝爾物理學(xué)獎表彰的宏觀(guān)量子力學(xué)隧道效應和能量量子化研究的重要成果，將開(kāi)創(chuàng )人類(lèi)未來(lái)的生活。盡管目前看起來(lái)還比較遙遠，但在半導體、量子計算機、微波通信、手機等方面的應用，我們已經(jīng)看見(jiàn)了曙光。

撰稿 / 張田勘（科普作家）

編輯 / 遲道華

校對 / 付春愔