2025年诺具奖颁给John Clarke, Michel Devoret, 和John Martinis等3人,以彰显他们在宏观量子穿隧效应(macroscopic quantum tunneling effect)实验的贡献。
「宏观」这两个字是相对应于传统上对量子现象了解的误解。经典物理(classical physics)指的是牛顿力学(Newtonian Mechanics)可以描述的现象,一般指的是宏观世界发生的种种现象,而量子现象,一般的解释方法是在微观(microscopic)世界中因为物理尺度微小、粒子个别行径的原因,物体(特别是个别粒子)行径带有机率的特性。特别是微观量子穿隧效应,此现象经常用来彰显经典物理与量子物理的差异。
穿隧效应是指1个粒子在其行进路径中遭遇一个位势壁垒(potential barrier)的反应行为。在经典物理中,如果粒子的能量不足以克服位势壁垒,则情况有如开车遇到山,只能就此折返。如果我们一定要这个电子越过此位势,只能赋予此粒子足够的能量,克服位势所造成的壁垒。
在半导体元件中,这已是常用方法。譬如在FLASH中要将电子储存于浮动闸极(floating gate)中,施加强大的垂直电压便能将电子从通道中跨越过横亘于通道与浮动闸极之间绝缘体所形成的位势壁垒,这就是在FLASH中的Fowler-Nordheim tunneling。这样的穿隧效应符合经典物理的图像,要越过壁垒只能靠增加能量。
然而在量子世界中,能量不足的粒子即使遭遇到了位势壁垒,仍然有机率穿越位势到达另一端。以之前的山与车的用语为例,仿佛在山体中开了一个隧道让汽车通行,因以为名。
微观量子穿隧效应是量子力学(quantum mechanics)中的经典范例,普遍见于教科书中。但是接下来的问题是自上世纪量子力学发靱后经常被问起的:微观世界的现象止于什么尺度?或者更直接的问题:宏观的世界也可以看见量子现象吗?特别是量子穿隧效应。
Clarke等3位元物理诺贝尔奖得主于1984~1985间一系列的实验工作证实在宏观世界也可以有量子穿隧效应,而且宏观的物理量也存在量子化的情形。
他们的实验是利用约瑟夫森结(Josephson junction)来检视电流的量子穿隧效应。约瑟夫森结两侧是超导体,中间隔有Al2O3的铝基绝缘体。
超导体在临界温度(critical temperature)以下电子的流动是以库柏对(Cooper pairs)的方式运动。库柏对是一对电子之间以声子(phonon)配对而轻微的彼此束缚,2个电子具有相反的动量和自旋。库柏对的束缚虽然微弱,但是两个组成电子的距离可以高达数百納米,比现在最小晶體管通道的十几纳米大多了。库柏对在移动时没有电阻,这就是超导体名字的由来。
一个电子的自旋是1/2,在统计上的特性是费米子(Fermion);而一个古柏对自旋是0,在统计上的特性是玻色子(Boson)。许多玻色子可以凝聚(condensate)于同一个基态(ground state)而形成一个宏观量子态。
约瑟夫结的两边超导体之间隔有绝缘体,如果电流值在临界电流(critical current)之下,在经典力学中一边的电流是无法通过绝缘体流到另一边的。
但是Clarke等3位的实验在谨慎的排除外在干扰如热、微波等因素后,证实在临界电流值以下的电流仍可以量子穿隧至绝缘体的另一方,这就是宏观的量子穿隧效应。
这个穿隧效应与以前习见的量子穿隧效应很不一样。
量子穿隧效应的经典例子是将粒子(He的原子核,带有2个正电荷)困于一个位势陷阱(potential well)之中。此粒子可以用量子穿隧逃逸至陷阱之外,但是此例中的 粒子是个别粒子,而此现像是微观量子穿隧。而Clarke等3人的实验证实宏观量子穿隧的真实存在。另外他们也发现此宏观量子态具有量子化能阶(quantized energy level),此点与我们熟悉的微观世界行径相仿—譬如氢原子的能阶也是量子化的。这是观念上的突破,是以得奖。
在应用上,宏观量子穿隧效应大幅提升量子效应在真实世界可以被利用的可能性。在前述的实验中,约瑟夫森结上的电流量子穿隧时会诱发瞬间电压的变化,而电流与电压均是宏观的物理量,可以很容易被观察量测,这是宏观量子穿隧效应在应用上可能优于微观量子效应的原因之一。
以现在最具议题性的量子计算为例,发展最迅速的的技术之一是超导量子位元(superconducting qubits),它们都使用约瑟夫森结当成量子位元的基础架构。超导量子位元又有几种类型,最常用的是传输量子位元(transmon qubit)。传输量子位元虽然没有使用宏观量子穿隧效应,却也使用宏观量子态的量子化能阶当成量子位元的0与1。
另一种超导量子位元是相量子位元(phase qubits),此处的相是指在约瑟夫结两边的宏观量子态之间的相对相位。如果把此相位当成一个虚拟粒子,此相粒子真的是靠宏观量子穿隧效应在绝缘体的左右穿梭。
类似的应用还有耳熟能详的超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device;SQUID),它可以用来测量极细微的磁场,敏感至10−15 T(Tesla)。超导量子干涉仪是由2个以上的约瑟芬森结环绕成圈所组成的仪器,利用通过此圈的磁通量(magnetic flux)的变化引发SQUID上电流和电压来量测磁场大小。SQUID之所以能够如此精确的量测磁场的原因,也是因为约瑟芬森结中宏观量子态的能阶也是量子化。
人类文明进展迄今,已经开始在触碰物质结构的边界,量子世界已是可以观察、甚至可以操控的现象。宏观量子穿隧现象给我们一个启示,不限于宏观量子穿隧、也不限于约瑟夫森结,只要有宏观量子态,便有宏观的物理變量可以用于观测、操控此系统,而这正是我们走到納米、埃(angstrom)尺度时出现的及时雨。