量子超导隧穿与诺贝尔物理学奖

今年的诺贝尔物理学奖有三个关键复合词，量子力学，超导隧穿，和电子线路。

瑞典皇家科学院的用意很明显，以这次颁奖纪念物理学上一次革命性的事件。量子力学的诞生。整整一百年前的1925年七月，二十三岁的海森堡因为患上严重的花粉过敏症在北海的岛上度假休养。他没有停止思考玻尔和索末菲交给他的有关原子光谱的问题。在宁静的岛上，极具直觉天赋的海森堡突然意识到电子轨道的假设完全不必要，物理量之间的运算不可以交换。这个顿悟让海森堡兴奋不已。他彻夜难眠，在海边一直等到日出。海森堡回到哥廷根之后，在亦师亦友的玻恩的帮助下建立了矩阵力学。现代物理学经历二十五年，从朴素的量子理论发展到体系化的量子力学。

说到量子力学就离不开位于丹麦哥本哈根的玻尔研究所。玻尔从英国回来之后建了这个理论研究所。一百来年前，这里曾经聚集过像海森堡，泡利，玻恩，薜定谔，狄拉克，和朗道等物理史上驰骋风云的人物。去年，我有机会到哥本哈根，在临近黄昏的时候去了玻尔研究所，多少带着朝拜圣地的心情。这里还是一个研究所，还是那栋显得古旧的楼房，旁边有一排平房的实验室和办公室。夜色下，楼房正面上的灯像星星一样闪烁起来，表示接收到千里之外欧州核子中心传来的数据。研究所后面有一个树林。1927年，海森堡在林子里散步时发现了著名的测不准原理。我想还有一个圣地要去。那是在伯尔尼的爱因斯坦故居。

自从1911年昂纳斯发现水银在低温环境下失去电阻以来，这是诺贝尔物理学奖第六次颁给超导。超导是个神奇的现象，也是凝聚态物理学的重要课题。1962年，二十三岁的约瑟夫逊在剑桥大学跟从皮帕德做研究生。约瑟夫逊假想出超导电流的量子隧穿效应。他的理论计算岀来的隧穿效应比预想的强很多。当时还在贝尔实验室工作的理论物理学泰斗安德森正好访问剑桥卡文迪许实验室，也在一起讨论。而在当时，巴丁反对约瑟夫逊的理论。有意思的是约瑟夫逊的设想完全基于巴丁的超导理论。巴丁已经是因发现半导体晶体管获得诺贝尔奖的荣誉物理学家。两人在当年的低温物理学国际会议的现场争论起来。巴丁和约瑟夫逊都很腼腆，说话声音很低很慢。所以，当时当众争论的场面让人很尴尬。而后来，巴丁却很大度地为约瑟夫逊提名诺贝尔奖。也有人认为，巴丁的做法纯粹出于私心，因为认可约瑟夫逊的隧穿结理论的前提是承认巴丁的超导理论。1972年，巴丁第二次获诺贝尔物理学奖，成为史上唯一获得两次物理学奖的人。而约瑟夫逊也在1973年获奖。费曼在他的经典《物理学讲义》简单明了地阐述了超导隧穿效应。一般的有兴趣的大学生就能读懂。实现这种效应的器件称为约瑟夫逊结。其实，隧穿结在现代有普遍的应用。我的日常工作就是与磁性隧穿结器件有关，利用的是电子的自旋特性。而超导隧穿结利用的是电子的波动相位。

今年获奖的克拉克是约瑟夫逊的同门师弟。他俩都是皮帕德的学生。克拉克主要做仪器和实验。约瑟夫逊一直在剑桥大学，现在还活着。克拉克在1971年来到加州大学伯克利分校任教。1984年，克拉克和他的博士后德沃雷，博士生马丁尼斯一起做出获奖的工作。今天，我特地找到了论文，粗略看了一下。文章很简明。克拉克小组利用当时的光刻技术制作了十微米尺寸的约瑟夫逊结，在低温环境下实现了量子超导隧穿效应。凭心而论，这项工作在物理学上的意义并不重大。今年的诺贝尔物理学奖无非是在向一百年来的物理学发展致敬，然后再预示未来。因为超导隧穿结是实现量子计算的基础单元和电路。当然，它并不是唯一途径。量子计算的算力和速度成万倍地超过现在的经典计算。IBM号称在两三年内实现一千多位量子比特的芯片。如果IBM和谷歌所宣称的有足够属实的成份，我们似乎正踏在量子计算世界的门坎了。这才是革命性的。它的影响肯定超过当前版本的人工智能。

--写于2025年10月8日（图片来自网络）