2025年諾貝爾物理學獎三位獲獎者的專利與產業應用

2025年諾貝爾物理學獎授予了約翰·克拉克（John Clarke）、米歇爾·H·德沃雷特（Michel H. Devoret）和約翰·M·馬蒂尼斯（John M. Martinis）三位科學家，以表彰他們“在電路中發現了宏觀量子力學隧穿效應和能量量子化現象”。通俗地說，他們的實驗在一個可以拿在手里的電路芯片上直接觀察到了量子力學效應，證明即使是肉眼可見的宏觀電路也能表現出典型的量子行為。這一成果被評價為點亮了量子計算的基石，為新一代量子技術，如量子密碼、量子計算機和量子傳感器的發展打開了大門。

在經典物理中，粒子要越過能量屏障必須具備足夠高的能量；但量子力學預言微觀粒子可以憑借隧穿效應，有一定概率直接穿過能量屏障。克拉克、德沃雷特和馬蒂尼斯通過精巧設計的超導約瑟夫森結電路證實了這一奇異原理在宏觀尺度下依然成立：他們讓超導電路中的“宏觀粒子態”陷在零電壓的能量阱中，隨后觀測到該宏觀量子態可以通過隧穿躍遷到有電壓的狀態，并以電路中出現電壓信號的方式檢測到了這種躍遷。同時，他們還測量到能量量子化現象：電路中的能量只能取特定的離散數值，這意味著單個約瑟夫森結就像原子一樣具有分立能級。這些發現首次在實驗上證明，大量電子組成的整體可以作為一個量子態來行為，量子力學規律并不局限于微觀世界。

上述實驗是在1984-1985年間完成的。當時三位獲獎者構建了一個由超導材料組成的環狀電路，并在其上制造出一個超薄的絕緣層形成約瑟夫森結，精確控制并測量電路的各項參數。實驗表明，該超導環路中的所有電荷載流子可以協同作用，形成一個充滿整個電路的宏觀量子態。這個宏觀量子態初始被困在零電壓（超導電流不產生電壓降）的穩定狀態中，就好比被勢壘鎖住。然而正如量子力學所預言的那樣，該宏觀態能夠通過隧穿機制逃離“困境”，跨越能量勢壘到達有電壓的狀態——電路兩端瞬間出現了可觀測的電壓，這正是宏觀量子隧穿的直接證據。緊接著，研究人員進一步驗證了電路只能吸收或發射特定量子的能量（即能級量子化），完全符合量子理論的預言。這一系列開創性實驗打破了量子行為僅存在于微觀世界的傳統觀念，在宏觀尺度上印證了量子力學原理，為量子技術的實際應用開辟了關鍵路徑。

三位獲獎者的工作在學術上和技術上都有深遠影響。他們第一次證明肉眼可見大小的電路也能夠表現出量子現象，回答了量子物理領域關于“量子效應究竟能在多大尺度上出現”的重大問題。更重要的是，他們的實驗奠定了超導量子器件的物理基礎。

他們的成果直接催生了人工原子超導量子比特的概念。這為人工制的量子比特的構造奠定了基礎，最終引領到我們今天所看到的量子技術工作。此后不久，研究者們受這一實驗啟發，在電路中設計出了可以充當量子二能級系統的超導量子比特元件。例如德沃雷特和耶魯同事在2002年設計出抗環境噪聲的Transmon超導量子比特，這種人工原子能夠穩定地保持量子態，其發明迅速被全球各大實驗室采用，成為超導量子計算機的核心單元設計。可以說，克拉克、德沃雷特、馬蒂尼斯三位作為超導量子電路領域的重要奠基人，推動了第二次量子革命浪潮。目前，無論在量子計算的可擴展性還是在量子態的相干控制方面，他們開創的超導量子電路路線都展現出巨大潛力。

晶體管等微電子器件本質上都是量子技術的產物，而今年的物理學獎則為下一代量子技術（包括量子密碼通信、量子計算機和量子傳感器）提供了發展的契機。

獲獎成果所基于的超導量子器件原理，經過幾十年的發展，已逐步走出實驗室，轉化為實際技術和產業應用。在專利方面，三位科學家及其團隊均有諸多相關發明。約翰·克拉克早年在超導量子干涉器（SQUID）技術領域作出重大貢獻，其團隊開發的超導量子傳感器被用于超低場核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）設備，并申請了相關專利。專利號為US6023161A，題目為“低噪聲SQUID”，利用 DC SQUID 磁強計在微特斯拉場中檢測核磁共振信號，預極化磁場僅在毫特斯拉級，使 MRI 掃描儀體積小、成本低；可用于檢測人體關節、早期腫瘤篩查、油井測井等。

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米歇爾·德沃雷特則專注于超導量子電路的量子信息處理，他與合作者發明了多種提高量子比特性能的電路設計。例如，他團隊提出將兩種不同類型的超導量子比特相耦合以相互抵消不良非線性，從而實現高保真度操作的約瑟夫森非線性電路，并于2023年獲得了美國專利授權。這些創新為超導量子芯片的大規模集成和誤差校正提供了重要技術支撐。相關專利號為US12364169B2，題目為非線性特性的振蕩器，提出了一種新型量子振蕩器設計和操作方法，該方法通過減少量子振蕩器的裸非線性，使其低于傳統認為的必要水平，同時將驅動頻率調整到偏離非線性振蕩器典型驅動頻率的值。這種調整后的驅動頻率可能與傳統頻率大不相同，甚至可能是預期會導致低相干時間的頻率，但在減少非線性的設計下，可以實現更長的相干時間。

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在產業界，這些奠基性的研究同樣得到迅速應用。約翰·馬蒂尼斯作為谷歌量子計算項目的領軍人物，將超導量子比特從實驗驗證推向了工程實現的新階段。2014年，他帶領加州大學圣巴巴拉分校的一支團隊整體加入谷歌，開始研制大規模超導量子處理器。此后幾年內，馬蒂尼斯團隊開發出了一系列關鍵工藝，例如低溫下穩定連接上百條控制線的量子芯片封裝技術，并據此申請了多項專利：例如，他們設計的一種用于量子硬件的T型接頭連接器有效提升了信號傳輸的可靠性。值得一提的，相關發明由谷歌公司申請，并于2025年7月獲批美國專利。在馬蒂尼斯的主導下，谷歌于2019年成功研制出53比特的超導量子計算芯片Sycamore。專利號為US12361306B2，題目為量子計算系統的T型接頭。用于將柔性電路板通過真空腔連接到量子硬件的 T 形彈簧接頭，采用超導彈簧互連，提高了量子芯片封裝的穩定性，是大規模量子處理器封裝技術的關鍵部件。

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這些成果充分證明了宏觀量子現象具有巨大的應用價值：從高靈敏度的SQUID磁傳感器、生物醫學成像設備，到當今科技巨頭競相研制的量子計算機核心芯片，無不建立在他們開創的量子電路原理之上。

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