量子力学诞生于对微观世界的追问。从普朗克的能量量子化到薛定谔方程的提出，波粒二象性、不确定性与叠加原理等全新规律被揭示。但这些奇异特性在宏观世界似乎消失无踪。著名的“薛定谔的猫”思想实验就是为了揭示量子理论在宏观世界中的荒谬而提出的，毕竟在现实中，我们从未见过一只“既生又死”的猫，这也引出值得人们深思的议题：为什么微观和宏观世界遵循的规则会有这么大的差异？从微观过渡到宏观的界限在哪里？我们是否能通过技术手段让更大的宏观物体呈现出明显的量子效应？这些问题长期以来被视为量子物理的核心难题。
克拉克（J. Clarke）、德沃雷（M. Devoret）与马蒂尼斯（J. Martinis）的研究为这一问题提供了答案。他们通过极低温与精密电路设计，让数十亿电子对在超导约瑟夫森结中保持相干，展现出量子隧穿与离散能级结构。这意味着量子规律不仅属于原子与电子的世界，也能在宏观体系中延续。这项工作不仅在基础物理层面上验证了量子力学在宏观体系中的适用性，更在技术上揭示了如何通过人工电路实现可控的量子行为。
揭开量子隧穿的面纱
早在1920年代量子力学刚刚诞生之初，人们便在α衰变现象中发现了量子隧穿的踪迹。按照经典力学，α粒子只有具备足够高的能量时才能克服势垒，逃逸出原子核，即发生α衰变。所谓势垒，是由于原子核内的各种相互作用而在其周围形成的一道屏障，它将粒子束缚在内，就像一堵无形的“能量墙”。但实验中却出现一个令人意外的现象：即使粒子没有经典力学要求的足够能量，它们依然能有一定的概率穿越势垒，发生α衰变。
α粒子越过势垒（©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）
1926年薛定谔方程被提出，为计算波函数及其随时间的演化提供了有效方法。在量子力学里，波函数是一个极为关键的概念，它是一个与微观粒子状态相关的函数，包含粒子位置、动量等物理量的概率信息，通过波函数我们可以知道粒子出现在某一位置的概率大小。1928年，伽莫夫（G. Gamow）用波函数解释了α粒子如何穿越势垒逃逸出原子核，从而揭开了量子隧穿的面纱。当粒子总能量低于某一区域的势能时，尽管波函数穿越该区域（势垒）时呈指数衰减，但对于有限长度的势垒而言，波函数在势垒另一侧依然存在。这意味着，即使粒子的能量低于势垒的高度，它仍有可能穿越势垒，这种奇特的量子现象就叫作“量子隧穿”。通过计算势垒的高度和宽度，我们可以算出发生量子隧穿所需要的时间，这就是放射性元素半衰期的根源。
虽然波函数为量子隧穿提供了数学上的合理解释，然而，这一结果反而凸显了微观和宏观之间的深刻差异。设想我们向一面坚实的墙壁投掷数千个网球，在宏观世界中，每一次投掷，网球都注定会反弹回来，而在微观世界，粒子却可能发生量子隧穿，就像突然有个网球穿墙而过，出现在了墙的另一侧。这种“穿墙而过”的奇异现象，似乎只在微观世界才会发生。
经典反弹与量子隧穿的对比示意图（©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）
那么，为什么这种在微观世界中普遍存在的行为，却从未在宏观世界被观察到？答案隐藏在量子相干性的脆弱之中。在宏观尺度下，我们通常将一个体系近似视为孤立系统，因为环境对宏观参数的影响微乎其微。然而，对于量子态而言，即便是极其微弱的相互作用，哪怕是空气分子的一次轻微碰撞，也足以破坏其相干性。当系统的尺度增大、构成粒子增多时，其量子态会极易受到外界环境的扰动，导致量子态相干性不可避免地被破坏，这一过程极为迅速且强烈，使得量子叠加态迅速坍缩为经典状态。因此，量子效应被完全掩盖，经典物理规律主导了我们的日常经验。
尽管如此，科学家仍在不断探索让量子规律在宏观尺度显现的可能性。人们发现，在极低温、超高纯度以及与环境充分隔离的条件下，量子态可以在宏观体系中保持相干性。1911年，物理学家卡末林·昂内斯（H. Kamerlingh Onnes）在液化氦气的实验中首次发现了超导现象。1957年，巴丁（J. Bardeen）、库珀（L. Cooper）和施里弗（J. Schrieffer）建立超导微观理论（BCS理论）[1]，解释了常规超导体的微观特性。该理论指出，在低温下，原本相互排斥的电子之间会产生一种微弱的吸引力，从而自发地配对形成一种稳定的结合态，即“库珀对”。在普通导体中，电子呈现出费米子的性质，电子运动会不断地发生碰撞，从而产生电阻。而在超导体中，库珀对整体呈现出玻色子的性质。与费米子不同，玻色子在极低温下，可以全部聚集到同一个能量最低的量子态，形成能由一个宏观波函数描述的统一体系。库珀对能够以集体形式，在超导体中无电阻地流动。这种特殊的物理状态为突破微观与宏观的界限带来了曙光。
1960年，江崎玲于奈（L. Esaki）在半导体中发现了电子的隧穿现象，揭示了量子隧穿在固体体系中的真实存在。随后，贾埃弗（I. Giaever）在超导体中观测到单电子隧穿，首次测量到了超导能隙，验证了BCS理论的正确性。1962年，约瑟夫森（B. D. Josephson）从理论上预言了库珀对可以通过绝缘层隧穿形成无电压超电流，即约瑟夫森效应[2]。在这里，隧穿的已不再是单个电子，而是由大量电子组成的相干量子态（库珀对），因此引入了宏观波函数的相位概念。虽然仍属于粒子态直积（非薛定谔猫态），但已具备宏观相干性的特征。
约瑟夫森的理论在1963年通过安德森（P. W. Anderson）等人的实验得到了验证[3]，实验证实了库珀对确实能够实现量子隧穿。这一系列理论与实验成果共同奠定了超导量子器件的基础。1973年，诺贝尔物理学奖授予江崎玲于奈、贾埃弗与约瑟夫森，表彰他们在隧穿现象研究中从微观到宏观的开创性贡献。
约瑟夫森效应的发现揭示了宏观量子态的动力学特性，约瑟夫森结中相位差的演化行为可通过一个形象的“倾斜搓衣板势模型”来直观理解。当给约瑟夫森结施加一个直流偏置电流时，可以将约瑟夫森结中两侧超导体的相位差想象成一个“小球”，它在一个波浪形的斜坡（势能曲线）上滚动。施加的电流较小时，斜坡微微倾斜，小球会被困在某个波谷（势阱）中，此时结两端没有电压，即系统处于零电压态；随着电流逐渐增大，斜坡更加倾斜，波谷变浅，小球有可能翻越势垒逃出；一旦电流超过某一特定的临界值，小球脱离波谷并滚下斜坡，结两端便出现电压，系统转为有电压态。与单个电子或原子的量子行为不同，约瑟夫森结中的相位差代表的是由无数库珀对构成的集体变量，它可以被看作一个“宏观量子坐标”。因此，如果能够直接观测到相位的量子隧穿或量子跃迁，就意味着量子力学的规律在宏观体系中同样成立。
倾斜的搓衣板势模型
1980年代，理论物理学家莱格特（A. Leggett）提出了一个极具影响力的假设[4]，进一步论证了在宏观超导量子器件中观测到宏观量子隧穿现象的可能性。他认为，超导和超流现象仅是大量微观粒子的量子行为在宏观层面上的集体表现，并不代表宏观物体本身遵循量子力学的基本原理[5]。那么，我们是否能够通过实验验证量子力学的基本原理同样适用于宏观物体，即“薛定谔的猫”是否可能存在？在超导量子器件（如超导量子干涉仪、约瑟夫森结等）中，由于电阻极低、耗散极弱且与环境的耦合可控，因此有可能观测到真正意义上的宏观量子现象。莱格特进一步提出了判定“宏观量子性”的条件：体系必须具备可区分的宏观态、显著的量子效应以及有限的环境耦合。这一理论框架为实验物理学家指明了方向，“薛定谔的猫”有望在实验中得到验证。
让量子隧穿“肉眼可见”
克拉克在剑桥大学获得博士学位后，于1968年赴美国加州大学伯克利分校任教，并组建了以超导物理为核心研究方向的研究团队。1980年代中期，法国的德沃雷以博士后身份加入，随后博士生马蒂尼斯也成为核心成员。三人组成了一个跨代合作小组，三人从莱格特的设想出发，致力于在宏观尺度上验证量子隧穿效应。
要在宏观尺度上观察量子隧穿极为困难，因为哪怕极微弱的热噪声或电磁干扰，都可能掩盖真正的量子效应。为此，他们设计了一个极其“安静”的实验环境，使用铜粉微波滤波器（超过200dB阻尼）来隔绝环境噪声，并通过多级热锚定有效消除了环境温度波动对系统的影响。他们还采用共振激发技术[6]，实现了对宏观量子隧穿过程的精确操控，而且实验者可以直接测量所有关键参数，消除了理论拟合中的主观误差。这一系列技术为量子效应在宏观体系中的稳定观测奠定了前提。
系统从势阱中逃逸有两种机制：一是通过热激发，只要温度足够，系统就能获得足够的能量翻越势垒；其次是通过量子隧穿效应，像幽灵一样直接“穿过”势垒，逃出波谷。为了得到纯粹的量子隧穿效应，他们多次重复试验，分析发现：在高温下，逃逸率受热激发主导，而在降至某一临界温度以下后，逃逸率趋于常数，表明体系进入了由量子隧穿主导的区域。
实验的核心就是利用约瑟夫森结观测宏观波函数的相位差从势阱中逃逸的宏观量子隧穿，电压的出现就是宏观量子隧穿发生的标志。当相位变量处于某一势阱中时，体系对应零电压状态，电流虽通过结，但不会产生电压信号。当发生宏观量子隧穿时，电路中突然出现可测量的电压，此时约瑟夫森结中成千上万的库珀对表现得就好像是一个充满电路的单个电子，以波的方式在势垒间隧穿[7]。
库珀对的集体隧穿 (a)正常导体中，电子相互碰撞；(b)超导体中，电子成对结合形成库珀对；(c)库珀对表现得好像它们是一个充满电路的单个粒子。（©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）
更为关键的是，克拉克团队进一步探测了体系的能级结构。在直流偏置的基础上，他们向约瑟夫森结施加微波信号，结果发现，当微波频率与体系能级间距相匹配时，逃逸速率出现明显增强，对应第一、第二、第三激发态的隧穿过程。整个体系在吸收了特定能量后，会从基态跃迁至能量更高的量子态，再以量子隧穿的方式“逃出”势阱。整个体系就像一个巨型的“人造原子”（artificial atom），表现出与单粒子量子系统相同的能级结构[8]。
这一实验直接印证了莱格特关于“宏观量子性”的理论预言。利用金属超导电路，他们在实验室中构建出了一个真正遵循量子力学规律的宏观物体。这一体系由数十亿个电子对组成，可观测、可操控，宛如一只现实版的“薛定谔的猫”。量子力学的边界在此被进一步拓展。
超导电路的实际应用
克拉克在1960年代末至1970年代初改进并推广了超导量子干涉仪（superconducting quantum interference device, SQUID），首次实现了对单个磁通量子的直接测量。SQUID是一种能够把磁通转化为电压的电磁传感器，它利用了超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象。当外部磁场穿过一个包含两个约瑟夫森结的超导环时，会改变通过环路的磁通量，导致环路中的超导电流发生变化，这个电流的变化被转化为电压信号，从而实现对磁场的精确测量。SQUID的灵敏度高达10⁻¹⁵特斯拉量级，能够探测地球磁场变化、脑磁图信号以及地质勘探中的微弱磁异常。它成为现代超导测量与医学成像（如脑磁图）的核心传感器，也是量子信息系统中读出量子态的关键元件。SQUID的出现，不仅使超导器件从基础研究迈入工程应用，也展示了超导体系作为宏观量子器件平台的巨大潜力。
约瑟夫森结与SQUID一样，同属超导量子器件体系。在约瑟夫森结中成功观测到宏观尺度量子隧穿和能级量子化特性后，研究者逐渐认识到超导电路的更多可能。约瑟夫森结的能级结构本身就是天然的量子比特。在该体系中，两个最低能级自然对应量子比特的“0”和“1”状态。通过精细调节约瑟夫森结的参数（如面积、临界电流、电容耦合强度等），可以精准控制量子态跃迁与相干演化，从而实现量子逻辑门操作。这种基于超导电路的量子比特，兼具可集成化、可扩展性和较长的相干时间等特性，迅速成为量子计算机研究的主流方案。自1999年中村泰信（Y. Nakamura）等人首次实现超导量子比特的相干振荡，证明了量子态可被精确控制[9]以来，超导量子技术经历了快速发展。
德沃雷在离开伯克利后，继续发展微波量子电路与量子放大器技术，并在耶鲁大学开创了“量子电路量子电动力学（cQED）”的实验体系。这一体系使单个超导量子比特能够与微波谐振腔实现强耦合，极大提升了信号可读性与系统稳定性[10]，成为现代超导量子计算的核心框架。作为开创了超导量子电路和量子比特中一系列早期关键技术的领军人物，克拉克、德沃雷和中村泰信共同获得了2021年度“墨子量子奖”。
随后，Transmon量子比特的诞生进一步优化了抗噪声性能[11]，成为谷歌、IBM等公司芯片设计的核心方案。值得一提的是，马蒂尼斯在加州大学圣塔芭芭拉分校时，就率先实现了多比特超导芯片的相干控制，并于2014年率团队整体加入谷歌，主导超导量子处理器的研发。2019年，他带领团队发布了“悬铃木（Sycamore）”量子处理器，在53量子比特体系中完成量子随机线路采样任务，声称实现“量子优势”。然而，后续研究表明，利用改进的经典算法和高性能GPU集群，该任务在数秒内即可完成，悬铃木的“量子优势”不再成立。
在超导量子计算领域，我国也不断取得重要成果，居于国际第一梯队。2021年，潘建伟、朱晓波团队在“祖冲之二号”超导量子处理器上实现了量子计算优越性，这是超导体系首个被严格证明的量子计算优越性（以最优经典算法为比较标准）。2025年3月，中国科大又发布了105量子比特超导原型机“祖冲之三号”，在量子随机线路采样任务中实现了比全球最快超级计算机快15个数量级的运算速度，性能领先谷歌2024年成果6个数量级，展示了我国在超导量子计算领域的国际竞争力。超导量子计算的竞赛进入百量子比特规模的新阶段。
尽管目前量子计算仍处于从理论验证向实际应用的过渡阶段，但2025年诺贝尔奖所表彰的工作无疑为其奠定了最深层的物理与技术基石：它提供了可扩展的量子体系框架，使多比特协同成为可能；揭示了如何精确测量与操控宏观量子态，为高保真逻辑门与量子纠错提供了理论依据；更重要的是，它让人类首次具备了“设计量子现实”的能力——从约瑟夫森结中的量子隧穿，到如今上百比特的量子芯片，这条科学之路见证了量子力学从自然规律走向工程应用的伟大跨越。
“可知可控”的量子未来
在量子效应尚未在宏观世界显形的年代，量子物理以“观察”为核心，致力于揭示自然界既有的量子现象。那是一个“可知而不可控”的量子时代——我们能够理解微观规律，却无法主动塑造它。而如今，研究者通过设计超导电路，把量子效应“握在手中”。这种人工构建的量子系统标志着量子力学从描述自然的理论，转变为可工程化的语言。
这种转变与当代科学的另一场革命——人工智能——形成了深刻的呼应。从人工智能到人工原子，两者展现出不同维度的人类能力跃升。人工智能通过算法与神经网络的自组织，体现出软件层面的智能；而超导量子计算机则在物理层面上实现了算力的跨越。当人类既能够深入理解信息处理的规律，又能在量子层面精准操控物质状态时，科学的角色发生了根本性的转变。它不再仅仅是对自然的被动描述，而是成为一种主动塑造现实的力量。
量子计算机的不断完善将推动人工智能进入新的计算范式，而人工智能的算法优化也将反过来助力量子控制与纠错。软件与硬件、智能与量子、微观与宏观，正在同一个框架中趋于融合。
回到最初的问题，微观宏观之间的界限正在一点点被打破。我们通过技术与实验，让量子相干延伸至宏观体系。薛定谔的猫不再只是思想中的隐喻，而在超导量子芯片上跃迁、演化。量子世界，正在成为我们可以设计、操控与创造的现实。
