▲约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯。图/诺贝尔奖委员会官网
在量子力学诞生百年之际，2025年10月7日，瑞典皇家科学院宣布，将2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马蒂尼斯三名量子物理学家，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。
量子力学在1925年诞生，今年正值百年。诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松当天表示，百年来量子力学不断带来新的惊喜，它大有用处，为数字技术提供了基础。
电路中的宏观量子力学隧道效应和能量量子化是什么东西，有什么用，相信很多人仍不知就里，甚至满头雾水。
按照颁奖者的解释，今年的诺贝尔奖获得者在芯片上的实验揭示了量子物理学的实际应用，他们展示了量子力学隧道效应和量子能级可以操控于掌中。
发现微观粒子具有“穿墙术”
简单地看，电路中的宏观量子隧道（隧穿）效应是指宏观物体（如超微颗粒的磁矩或磁通量）表现出穿过能量势垒的量子行为。这种效应在纳米尺度下比较显著，限制了微电子器件的微型化和信息存储设备的信息保存时间。
因此，量子隧道效应，就是指电子等微观粒子能够穿越经典物理学认为不可逾越的能量势垒的神奇特性。这种现象可以通俗地解释为“穿墙术”，在现实的物理世界上是无法实现的，因为电子本来不具备足够能量克服势垒，就如同人不能穿墙而过一样。但在量子世界，电子有一定概率以波的形式穿越势垒，就像挖了一条隧道一样。
能量量子化是量子理论的核心概念之一，由普朗克在研究黑体辐射时提出，指的是，微观系统中能量的变化是以不连续的、离散的最小单位，即量子的形式进行。
就像楼梯的台阶一样，能量只能存在于特定的能级（能量值）上，而不能存在于台阶之间的任意高度。这与经典力学中能量可以连续变化的观念不同。
能量量子化的基本要义是，能量是以最小的基本单位——量子——来传递的。能量的吸收或释放必须是这些能量子的整数倍。
量子力学允许粒子使用被称为隧道效应的过程直接穿过屏障。一旦涉及大量粒子，量子力学效应通常就会变得微不足道。今年获奖者的贡献就在于，通过实验表明，量子力学特性可以在宏观尺度上具体化。
获奖者另一个重要贡献是，过去认为，宏观的粒子状系统最初处于电流流动而没有任何电压的状态。系统被困在这种状态中，仿佛再无法跨越障碍。通过实验，研究者发现，该系统通过隧道效应设法摆脱零电压状态，展示了量子特性。而系统的变化状态是通过电压的出现来检测的。
同时，获奖者还证明该系统的模式是量子化的，这意味着宏观的粒子状系统只吸收或发射特定量的能量。
让微波通信成为可能
宏观量子力学隧道效应和能量量子化在生活和工作中的实际意义在于，它们可应用于半导体设备，如隧道二极管和超导量子干涉器中等。
同时，量子隧道效应和能量量子化不仅是半导体（智能手机、计算机等电子设备的核心部件）的工作原理，也是太阳核聚变产生光与能量的核心机制，并且为半导体、量子计算机、微波通信等未来的技术发展提供关键的理论支撑。
隧道二极管的应用就利用了宏观量子力学隧道效应和能量量子化原理，未来大有前景。隧道二极管，是一种具有负微分电阻特性的半导体器件，目前在生活中，不如整流二极管、发光二极管等常见，但在高速电子设备中具有重要应用，如在射频 (RF) 振荡器、高频开关和变频器中等，都有应用。
而且，隧道二极管在微波通信、雷达系统以及其他高速电子仪器中，也有极为重要的作用，是实现高频信号生成和处理的重要元件。其应用于微波通信，可能是未来生活的另一个发展方向，正如今天的光纤通信一样。
而早在1966年，华裔科学家高锟便发表了题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长途及高信息量光通信所需介质纤维的结构和材料特性。
之后的20世纪70年代，随着半导体激光器和微处理器的出现，光纤技术取得了关键突破，光纤通信快速发展，20世纪80年代光纤通信开始广泛应用于电信行业。今天，我们所有人使用的宽带就是光纤通信成果的应用。为此，高锟与其他两位科学家获得2009年诺贝尔物理学奖。
而现在的宏观量子力学隧道效应和能量量子化，则可能超越光纤通信，发展到微波通信。这是一种综合技术，是将信号以频率在0.3GHz至300GHz的微波作为载体进行通信信号传输。其凭借的理论就是宏观量子力学隧道效应和能量量子化。一旦理论突破并转化到技术，便可以提供更好更快的无线宽带，还可以作为手机、电视、通信卫星的有效信号传递。
研究成果将开创未来生活
量子力学隧道效应，在太阳核聚变中同样作用巨大。
太阳通过核聚变产生的能量会以光子和粒子的形式从太阳的核心向外传输，经过太阳的多个层次后，最终以阳光和微粒动能的形式脱离太阳。太阳核聚变，可以维持地球上包括人在内的所有生命活动，为地球提供光和热，而且太阳核聚变也是永恒而强大的能量源。
太阳核聚变正是要利用量子力学的隧道效应实现，这种效应允许像质子这样的粒子“穿过”能量壁垒。
这个过程不仅使得太阳在相对低的温度下能够发生核聚变，而且其发生的频率限制了聚变的速率，从而保证太阳能够维持数十亿年的寿命。
今年诺贝尔物理学奖表彰的宏观量子力学隧道效应和能量量子化研究的重要成果，将开创人类未来的生活。尽管目前看起来还比较遥远，但在半导体、量子计算机、微波通信、手机等方面的应用，我们已经看见了曙光。
撰稿 / 张田勘（科普作家）
编辑 / 迟道华
校对 / 付春愔
