諾獎得主Michel Devoret：人工原子物理等新興領(lǐng)域能在多大程度上擴展量子力學(xué)的邊界？

12月6日至12日，14位諾貝爾獎獲獎?wù)啐R聚斯德哥爾摩，參與為期一周的2025年諾貝爾頒獎周活動。獲獎?wù)吆w生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、物理學(xué)獎、化學(xué)獎及經(jīng)濟學(xué)獎等多個領(lǐng)域。繼今年10月受邀參加諾貝爾獎新聞發(fā)布會后，墨子沙龍再次榮幸獲邀參與本屆諾獎周活動。在卡洛琳斯卡醫(yī)學(xué)院和瑞典皇家科學(xué)院，墨子沙龍現(xiàn)場參加了諾貝爾獎得主記者見面會，聆聽了獲獎?wù)邆兊膶W(xué)術(shù)報告，并將陸續(xù)與讀者分享現(xiàn)場的精彩內(nèi)容。

Michel H. Devoret（米歇爾·德沃雷特），1982年博士畢業(yè)，法國物理學(xué)家，耶魯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)教授，量子電路理論奠基人之一。他在諾獎這為大家?guī)砹祟}為《從宏觀量子現(xiàn)象到人工原子》（“From Macroscopic Quantum Phenomena to Artificial Atoms”）的報告。

從α衰變到宏觀量子效應(yīng)

今年是量子力學(xué)誕生一百周年，我在這里演講感到格外榮幸。我們認(rèn)為量子力學(xué)與直覺相悖，它的邏輯與我們?nèi)粘Ｉ钪兴w驗到的邏輯截然不同。在我攻讀博士學(xué)位時，曾將量子力學(xué)應(yīng)用于一個簡單的分子——氫分子。

40年前我在約翰·克拉克（John Clarke）實驗室做博士后時受到很多啟發(fā)。我和當(dāng)時還是研究生的約翰·馬丁尼斯（John Martinis）一起開始了一項實驗，我們嘗試用量子力學(xué)領(lǐng)域中解釋我們測試的電流和電壓。在當(dāng)時，微觀標(biāo)量尺度的量子力學(xué)并非完全是新概念，并且可以在量子力學(xué)的科普書籍中看到相關(guān)內(nèi)容。

我舉一個例子，喬治·伽莫夫（George Gamow）的書——《湯普金斯先生探索原子世界》（Mister Tompkins explores the atom）。他在量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)后不久，就通過以下概念解釋了α衰變和α放射性。例如，以鈾原子為例，它的原子核經(jīng)過一段時間后會衰變成釷（Th），并釋放出一個α粒子，它實際上是一個氦原子，或者也可以理解為兩個質(zhì)子和兩個中子。如果用γ射線來描述α粒子，可以被比作一顆彈珠。這顆彈珠最初位于一個中間有隕石坑的小土堆中。如果用經(jīng)典力學(xué)來描述這顆彈珠，它無法逃逸，因為能量不守恒。它必須先在土堆上并且上下移動才能逃逸。

但從量子力學(xué)的角度來看，這顆彈珠可以利用普朗克能量庫（Plank bank）的能量。普朗克能量庫規(guī)定了你可以在很短的時間內(nèi)“借用”一定量的能量。實際上，這個能量是由普朗克常數(shù)決定的。普朗克常數(shù)告訴我們，在1秒內(nèi)你可以“借用”10^-34焦耳的能量，或者在1納秒內(nèi)“借用”10^-25焦耳的能量。而且，土堆的凹陷對應(yīng)于原子核內(nèi)部α粒子的強相互作用力，這就是你會看到凹陷的原因。但是，在原子核外部，帶正電的α粒子受到原子核的排斥，因此呈現(xiàn)出向下傾斜的勢壘。所以，這個勢壘可以用γ射線來描述α衰變。如果你拿一個家里的狗碗和一顆彈珠，只要彈珠足夠輕，你就能看到這種神奇的現(xiàn)象。

實際上，我們完全沒有證據(jù)表明量子力學(xué)在宏觀上有效，盡管當(dāng)時人們認(rèn)為超流體或超導(dǎo)現(xiàn)象在微觀尺度上展示了量子力學(xué)的規(guī)律，但在這些現(xiàn)象中，量子關(guān)聯(lián)實際上是在極小的尺度上發(fā)揮作用的，這種有序性在微觀尺度上是通過完全經(jīng)典的相互作用傳播的。當(dāng)一只貓同時處于“死”和“活”的疊加態(tài)時，當(dāng)疊加態(tài)發(fā)生變化時，測量結(jié)果也會隨之改變，最終只有一個結(jié)果：貓要么是死的，要么是活的。類比在電路上：電子振蕩器，它由尺寸約為毫米級的鋁制成。如果將其冷卻到2000萬開爾文，電路中的所有電子都會凝聚成一種不可壓縮的流體，并在電路中快速運動。

為了理解電路的微觀特性，我們可以將其與原子進行比較。以氫原子為例，氫原子中只有一個電子，等效于一個由電感器和電容器并聯(lián)而成的電路。在這個系統(tǒng)中，電子會從電容器的一側(cè)極板快速移動到另一側(cè)極板。在經(jīng)典的理論模型中，電子圍繞質(zhì)子運行，那么在電路中發(fā)生了什么呢？電路中的不可壓縮的流體會通過電感器帶動電容器的極板移動，但是在低溫下這種運動實際上并沒有激發(fā)任何內(nèi)部自由度。在原子中只有一個電子。類比在電路中，則是一個完整的超導(dǎo)體。當(dāng)把凝聚體的質(zhì)心比作電子的位置。電子的速度就是流過電感器的電流，而作用在電子上的力相當(dāng)于電容器上的電壓。

為什么電路是微觀的呢？

從應(yīng)用的角度來看，把導(dǎo)線連接到電路上可以讓兩個電路產(chǎn)生非常強的相互作用或者可以對電路進行非常精確的測量，但是這在原子層面上要困難得多。這就是為什么我們希望在電路層面演示量子力學(xué)的原因。現(xiàn)在，我們檢驗這個微觀物體是否真的是量子物體。托尼·拉加德的假設(shè)把穿過電感器的磁通量視為位置。電容器上的電荷是共軛變量，可以對應(yīng)于粒子的動量。因此通過不確定性關(guān)系會得到存在量子化的能級。

但實際上，這種情況幾乎發(fā)生在任何電路中。這個電路與原子真正的區(qū)別在于由于原子能級有躍遷頻率，這個躍遷頻率對應(yīng)在電路中是由兩個基本量決定的：電感值和電容值，而這兩個量在電路中可以輕易改變，但對于實際的原子來說卻無法改變。元素周期表上只有92種原子，但是如果你想要龐大的等效電路，一些基本常數(shù)（例如電子電荷和質(zhì)量）它們是固定不變的。所以我們可以根據(jù)我們感興趣的特定功能來調(diào)整電路。微觀物體通常會受到很大的摩擦。例如，在電路中，電容和電感之間可能存在電阻。這會導(dǎo)致能級展寬。如果損耗過大，能級就會過寬，所有量子化都會消失所以必須控制耗散。

能級之間的躍遷，即兩個相鄰能級之間的能量，必須大于溫度波動的能量。正好驗證手機里的電路頻率是幾GHz。但是這個 LC 電路太簡單了，當(dāng)你用微波輻射激勵它時，由于能級之間的距離相等，你會同時激發(fā)所有的躍遷。如果從基態(tài)出發(fā)，最終會得到一個平均態(tài)。但是量子力學(xué)中提到，諧振子總是處于對應(yīng)極限。40年前這確實是個很難解決的問題。而今天，當(dāng)我們利用任任意使勢能爆發(fā)的系統(tǒng)。當(dāng)能量升高時，所有躍遷都將不再簡并。如果這個電路處于高溫并輻射能量，它將以離散的譜線形式輻射能量。這樣就可以分別控制每個躍遷。如果用微波照射特定的躍遷，例如，你可以從0態(tài)躍遷到1態(tài)，從1態(tài) 躍遷到2態(tài)，這樣就可以找到任何量子態(tài)。

如果想要控制和操控系統(tǒng)，必須要控制非線性和損耗。因為關(guān)鍵在于兩個峰值之間的相對距離與寬度的關(guān)系。你需要一個良好的非線性系統(tǒng)，但同時又需要極低的損耗。托尼·拉加德意識到了這一點。目前只有約瑟夫森隧道元件能夠同時提供極低的損耗和足夠的非線性。

在電路圖中用十字形元件代替了電感器，代表約瑟夫森隧道元件。十字形元件本身并不代表電感，但選擇十字形元件是由于約翰·斯托克（John Stock）的理論，它將電流與磁通量聯(lián)系起來。由于磁通量對時間導(dǎo)數(shù)等于電壓，引入節(jié)點兩端電壓的時間積分，得到的變量是磁通量。

通過處理積分我們得到具有周期性的余弦勢，它由 ?/2e 給出。由于在超導(dǎo)態(tài)下，電子會成對地隧穿，所以在上式用到了電子e。是什么決定了這個勢的形狀？電荷一個一個地穿過結(jié)形成周期性變化。由于不等距的能級測量起來實際上非常困難。所以，我們在實驗上施加一個偏置電流，當(dāng)電流穿過結(jié)會使余弦勢發(fā)生傾斜?，F(xiàn)在，我們有了這些能級，但它們是亞穩(wěn)態(tài)的。如果你占據(jù)其中一個能級，波函數(shù)會泄漏到勢壘會產(chǎn)生衰變。有兩個參數(shù)決定了這個勢能還有頻率ωp，它是勢阱底部微小振蕩的頻率，以及勢壘高度。在實驗中，為什么控制這兩個參數(shù)至關(guān)重要呢？勢阱的狀態(tài)有兩種逃逸機制，黃色小球表示的是整個勢阱的狀態(tài)。它可以從勢阱逃逸到任何過程中。由于熱激發(fā)，黃色小球可以從一個能級躍遷到下一個能級，直到從勢壘頂部逃逸出來。如果現(xiàn)在溫度很低，粒子就會通過隧穿效應(yīng)穿過勢壘逃逸，這種情況就類似于α衰變。

如何檢測放射性？

我們整個電路現(xiàn)在相當(dāng)于一個放射性原子核，如何檢測這種放射性呢？在這個系統(tǒng)中，偏置電流通過隧穿元件，通過對應(yīng)于黃色粒子的十字形結(jié)構(gòu)對應(yīng)于電路的狀態(tài)，代表粒子被捕獲。粒子可以在電路中移動，但它的平均速度為零，對應(yīng)電容兩端的電壓為零。當(dāng)我們引入一個電阻，它相當(dāng)于電壓表。當(dāng)整個電路的狀態(tài)從零電壓狀態(tài)切換到非零電壓狀態(tài)時，電壓表的作用相當(dāng)于放射性衰變中的蓋革計數(shù)器，我們稱為電壓狀態(tài)。粒子一旦逃逸，就會沿著傾斜的電勢壘向下滾動，當(dāng)速度不斷增加就會產(chǎn)生電壓，就可以用電壓表檢測。通過檢測電壓脈沖，就可以知道整個電路的狀態(tài)，對應(yīng)于微觀層面的α衰變。

在這個實驗中，單個電子穿過勢壘的隧穿效應(yīng)會產(chǎn)生約瑟夫森效應(yīng)，這種隧穿效應(yīng)與整個電路從一種電流切換到另一種電流無關(guān)。這兩種隧穿效應(yīng)不應(yīng)混淆。所以我們發(fā)現(xiàn)的是整個電路狀態(tài)的隧穿、電子的隧穿以及成對電子的隧穿，這是約瑟夫森的發(fā)現(xiàn)，而我們所做的是后約瑟夫森物理學(xué)。

我們利用鈮制成的結(jié)，它在氦溫度下具有超導(dǎo)性所以我們可以檢查所有參數(shù)。圓柱體是濾波器，我們將帶寬縮小到千赫茲，并且濾除頻譜中的其他部分。測量等離子體頻率非常重要，因為它決定了交叉溫度。我們在經(jīng)典狀態(tài)下進行的一項實驗告訴我們，如果我們測量隧穿效應(yīng)，就可以在共振曲線的右邊緣找到等離子體頻率。之前的這些實驗開啟了量子超導(dǎo)電路這個新領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域中，它們可以組合起來制造人造原子、分子，甚至是更復(fù)雜的電路，例如量子極限放大器。

對未來人工原子的期待

在此，我要感謝在座各位參與了這項探索。這些人工原子擁有類似于曼德拉效應(yīng)表的結(jié)構(gòu)。其中兩種比較流行的是“傳輸子（Transmon）”和“磁通子（Fluxonium）”。在娜塔莉·德萊昂 (Natalie De Leon）和安德魯·凱特·普林斯頓（Andrew Kate Princeton）的團隊中，這些人工原子的性質(zhì)已經(jīng)擴展到了原子數(shù)量級，基本上與氫原子相當(dāng)。這些人工原子能進行一些真實原子無法實現(xiàn)的實驗。從長遠(yuǎn)來看，人工原子物理和微波量子光學(xué)這一新興領(lǐng)域為量子信息處理和量子傳感開辟了新的應(yīng)用前景。

所以，我們還能將這項技術(shù)拓展到什么程度？我們究竟能在多大程度上將量子力學(xué)推廣到微觀系統(tǒng)？盡管我們已經(jīng)將尺度推向了另一個層面，但是這仍然是一個懸而未決的問題。感謝大家的聆聽。

文字整理：卷毛