量子超導隧穿與諾貝爾物理學獎

今年的諾貝爾物理學獎有三個關鍵複合詞，量子力學，超導隧穿，和電子線路。

瑞典皇家科學院的用意很明顯，以這次頒獎紀念物理學上一次革命性的事件。量子力學的誕生。整整一百年前的1925年七月，二十三歲的海森堡因為患上嚴重的花粉過敏症在北海的島上度假休養。他沒有停止思考玻爾和索末菲交給他的有關原子光譜的問題。在寧靜的島上，極具直覺天賦的海森堡突然意識到電子軌道的假設完全不必要，物理量之間的運算不可以交換。這個頓悟讓海森堡興奮不已。他徹夜難眠，在海邊一直等到日出。海森堡回到哥廷根之後，在亦師亦友的玻恩的幫助下建立了矩陣力學。現代物理學經曆二十五年，從樸素的量子理論發展到體係化的量子力學。

說到量子力學就離不開位於丹麥哥本哈根的玻爾研究所。玻爾從英國回來之後建了這個理論研究所。一百來年前，這裏曾經聚集過像海森堡，泡利，玻恩，薜定諤，狄拉克，和朗道等物理史上馳騁風雲的人物。去年，我有機會到哥本哈根，在臨近黃昏的時候去了玻爾研究所，多少帶著朝拜聖地的心情。這裏還是一個研究所，還是那棟顯得古舊的樓房，旁邊有一排平房的實驗室和辦公室。夜色下，樓房正麵上的燈像星星一樣閃爍起來，表示接收到千裏之外歐州核子中心傳來的數據。研究所後麵有一個樹林。1927年，海森堡在林子裏散步時發現了著名的測不準原理。我想還有一個聖地要去。那是在伯爾尼的愛因斯坦故居。

自從1911年昂納斯發現水銀在低溫環境下失去電阻以來，這是諾貝爾物理學獎第六次頒給超導。超導是個神奇的現象，也是凝聚態物理學的重要課題。1962年，二十三歲的約瑟夫遜在劍橋大學跟從皮帕德做研究生。約瑟夫遜假想出超導電流的量子隧穿效應。他的理論計算岀來的隧穿效應比預想的強很多。當時還在貝爾實驗室工作的理論物理學泰鬥安德森正好訪問劍橋卡文迪許實驗室，也在一起討論。而在當時，巴丁反對約瑟夫遜的理論。有意思的是約瑟夫遜的設想完全基於巴丁的超導理論。巴丁已經是因發現半導體晶體管獲得諾貝爾獎的榮譽物理學家。兩人在當年的低溫物理學國際會議的現場爭論起來。巴丁和約瑟夫遜都很靦腆，說話聲音很低很慢。所以，當時當眾爭論的場麵讓人很尷尬。而後來，巴丁卻很大度地為約瑟夫遜提名諾貝爾獎。也有人認為，巴丁的做法純粹出於私心，因為認可約瑟夫遜的隧穿結理論的前提是承認巴丁的超導理論。1972年，巴丁第二次獲諾貝爾物理學獎，成為史上唯一獲得兩次物理學獎的人。而約瑟夫遜也在1973年獲獎。費曼在他的經典《物理學講義》簡單明了地闡述了超導隧穿效應。一般的有興趣的大學生就能讀懂。實現這種效應的器件稱為約瑟夫遜結。其實，隧穿結在現代有普遍的應用。我的日常工作就是與磁性隧穿結器件有關，利用的是電子的自旋特性。而超導隧穿結利用的是電子的波動相位。

今年獲獎的克拉克是約瑟夫遜的同門師弟。他倆都是皮帕德的學生。克拉克主要做儀器和實驗。約瑟夫遜一直在劍橋大學，現在還活著。克拉克在1971年來到加州大學伯克利分校任教。1984年，克拉克和他的博士後德沃雷，博士生馬丁尼斯一起做出獲獎的工作。今天，我特地找到了論文，粗略看了一下。文章很簡明。克拉克小組利用當時的光刻技術製作了十微米尺寸的約瑟夫遜結，在低溫環境下實現了量子超導隧穿效應。憑心而論，這項工作在物理學上的意義並不重大。今年的諾貝爾物理學獎無非是在向一百年來的物理學發展致敬，然後再預示未來。因為超導隧穿結是實現量子計算的基礎單元和電路。當然，它並不是唯一途徑。量子計算的算力和速度成萬倍地超過現在的經典計算。IBM號稱在兩三年內實現一千多位量子比特的芯片。如果IBM和穀歌所宣稱的有足夠屬實的成份，我們似乎正踏在量子計算世界的門坎了。這才是革命性的。它的影響肯定超過當前版本的人工智能。

--寫於2025年10月8日（圖片來自網絡）