巨觀量子穿隧發現者，奠定量子運算基礎並推動其發展 ---- 科技產業資訊室

黃松勳 發表於 2025年10月17日

2025年諾貝爾物理獎頒給克拉克(John Clarke)、德沃雷特(Michel H. Devoret)與馬蒂尼斯(John M. Martinis)，以表彰他們在「電路中發現巨觀量子穿隧與能量量子化」的開創性成果。這項研究源於1980年代的超導電路實驗，首次證明了即使是由數十億個電子組成的系統，也能展現量子行為，徹底改寫了人類對「經典」與「量子」世界邊界的認知。長久以來，量子力學被視為僅適用於原子與亞原子尺度的理論。三位獲獎者透過一個可放在手掌大小的超導電路，證明量子穿隧與能量量子化(能階)現象可以在巨觀尺度上發生。這不僅是對量子理論百年發展的重要驗證，也開啟了可控量子系統的時代，為量子電腦與量子感測技術奠下基石。

量子穿隧是指粒子能夠穿越在經典物理下無法跨越的能量勢壘(屏障)。克拉克等人所建構的約瑟夫森接面（Josephson junction），讓電子對（Cooper pairs）在超導體與絕緣層之間以波動形式穿透屏障。當溫度降至近乎絕對零度時，電路的能量狀態會轉變，顯示其遵循量子規則而非連續的經典轉變。研究團隊以「傾斜洗衣板位勢」模型形象化描述超導電路的能量景觀。系統如同一顆粒子被困在位能井中，但可透過量子穿隧「跳出」障礙。這一現象的觀測，證明了巨觀系統能展現純量子特性，其測量結果與理論預測吻合，消除了熱能雜訊的可能干擾。 除了穿隧效應外，實驗還揭示了電路能量狀態的量子化行為，即僅能吸收或放出特定能量值。這使得研究者能以微波信號精準控制電路能階，如同操控人工「原子」，這正是現代超導量子位元（qubit）的物理基礎。 三位物理學家的成果直接促成超導量子運算架構的發展。

馬蒂尼斯後來領導Google量子運算團隊，在《Nature》上發表量子霸權（quantum supremacy）成果；德沃雷特則擔任Google Quantum AI首席科學家，延續量子工程化的應用路線。今日的IBM與Google量子平台皆建構於他們的原始概念之上。 巨觀量子實驗不僅是理論物理的勝利，也象徵量子科技產業化的起點。此研究推動量子感測、量子密碼與高精度量測等應用。這些技術能偵測極微磁場或引力變化，並支撐未來安全通訊與新材料研發。

這項發現亦具有哲學意涵，也就是量子與經典之間的邊界並非絕對，而是可透過溫度、材料與設計操控。它讓人重新思考「現實」與「觀測」的關係，並激發了關於巨觀量子態的跨學科討論。 適逢2025年被聯合國訂為「國際量子科學與技術年」，這項諾貝爾獎不僅是對三位物理學家四十年堅持的肯定，更象徵量子物理從微觀理論走向工程實踐的歷史性時刻。正如瑞典皇家科學院所言：「量子力學不僅帶來驚奇，也構成了所有數位科技的基礎。」未來，量子世界將不再遙不可及，而是人類創新科技的新領域。