【導語】2025年，聯合國“國際量子科學與技術年”之際，諾貝爾物理學獎再度聚焦超導量子計算，授予約翰・克拉克、米歇爾・德沃雷、約翰・馬丁尼斯三位科學家，表彰其通過約瑟夫森結在宏觀電路中首次直接觀測到量子隧穿與能級量子(zi)化(huà)的(de)突(tū)破(pò)性(xìng)成(chéng)果(guǒ)。這(zhè)一(yī)發(fā)現(xiàn)不(bù)僅(jǐn)奠(diàn)定(dìng)了(le)約(yuē)瑟(sè)夫(fu)森(sēn)效(xiào)應(yīng)器(qì)件(jiàn)的(de)物(wù)理(lǐ)基(jī)礎(chǔ)，更(gèng)推(tuī)動(dòng)了(le)超(chāo)導(dǎo)量(liàng)子(zi)計(jì)算(suàn)從(cóng)理(lǐ)論走向實踐——從穀歌“懸鈴木”、IBM“鷹”到中國“祖衝之”係列，全球頂尖量子處理器均依賴這顆“量子心髒”驅動。本文將帶您走進極低溫世界，揭秘約瑟夫森結如何創造“人造原子”，解析量子比特疊加與糾纏如何催生指數級算力，並展望這一顛覆性技術從實驗室走向工(gōng)程(chéng)應(yīng)用(yòng)的(de)未來之路。

2025 年，聯合國命名的“國際量子科學與技術年”，諾貝爾物理學獎再度照亮超導量子計算。三位先驅——約翰・克拉克、米歇爾・德沃雷、約翰・馬丁尼斯——因“在宏觀電路中觀測到量子隧穿與能級量子化”而共同獲獎。他們的實驗首次在宏觀電路中直接觀測到量子隧穿與能級量子化，奠定了約瑟夫森效應器件的物理基礎。同時，約瑟夫森效應器件應用廣泛，超導(dǎo)量(liàng)子(zi)計算隻是其中之一；本文將聚(jù)焦(jiāo)其(qí)在(zài)超(chāo)導量子計算中的作用與前景。

圖1：2025年諾貝爾物理學獎獲得者

（圖片來源：2025年諾貝爾物理學獎官網）

All Nobel Prizes 2025[EB/OL]. Nobel Prize Outreach AB, 2025[2025-10-30]. http://www.nobelprize.org/all-nobel-prizes-2025/.

放眼全球，超導量子計算是與現代芯片工藝最“合拍”的量子技術路線：納秒級操作速度、成熟的微波測控、可微縮的平麵結構，讓它在量子處理器集成度和算力演示上持續領跑。從穀歌的“懸鈴木”、IBM 的“鷹”，到中國的“祖衝之”係列，一次次“量子優越性”成功的背後，都跳動著同一顆“量子心髒”——約瑟夫森結。

下(xià)麵(miàn)，讓(ràng)我(wǒ)們(men)循(xún)著(zhe)諾(nuò)獎(jiǎng)的(de)光(guāng)芒(máng)，走進極低溫世界，看看這顆“心髒”如何驅動人造原子，奏響指數級算力的序曲。

01 約瑟夫森結 —— 宏觀世界的量子“引擎”

今年的諾貝爾物理學獎表彰的是基於約瑟夫森結設計並實現的宏觀量子電路——例如在電流偏置約瑟夫森結中觀測到能級量子化與宏觀量子隧穿。需要說明的是，約瑟夫森效應本身（Josephson 的理論預言）已於 1973 年與隧穿效應相關研究共同獲得諾貝爾物理學獎。

簡單說，它把一層隻有幾納米厚的絕緣體夾在兩塊超導體之間，形成“超導—絕緣—超導”三明治。當溫度降到10 mK左右，庫珀對（Cooper pairs，兩個電子通過晶格振動“牽手”形成的配對粒子）會像幽靈般穿過絕緣層，產生無耗散的“約瑟夫森電流”。這一現象把非線性帶進了宏觀電路，使得整個係統的能量不再連續，而是像原子一樣分立、非等間距。

圖2 約瑟夫森結的結構及原理

（圖片來源——參考文獻：

鄭文, 於揚. 超導量子計算核心器件[J]. 物理, 2023, 52(11): 731-743.）

非線性有多重要？就像吉他弦被重撥會出現“走音”，約瑟夫森結賦予電路以非線性，把原本等間距的諧振子能譜“拉出不等間距”（非諧性）。正因如此，糖心免费视频可以用單一頻率的微波選擇性地隻驅動 |0⟩↔|1⟩ 躍遷，而不誤觸 |1⟩↔|2⟩ 等其他躍遷，從宏觀電路中“選出”一個可控的近似兩能級係統——這就是人造原子（量子比特）。沒有這份非線性，超導電路隻是線性諧振子，能級等間距，任何驅動都會同時耦合多條躍遷，無法實現穩定、可尋址的量子 0/1 疊加與翻轉。

當然，這顆“心髒”極度喜冷。熱噪聲隻要高過能級間隙，量子信息就會像雪糕般(bān)融(róng)化(huà)。因(yīn)此(cǐ)，超(chāo)導(dǎo)量(liàng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)必(bì)須(xū)躺(tǎng)在稀釋製冷機提供的“宇宙最冷搖籃”裏——10至15 mK，比外太空還要冷三個數量級。這裏，氦-3 與氦-4 同位素循環蒸發，把最後一絲熱量拖出係統，為量子態爭取寶貴的“保鮮期”。

02 量子比特的誕生：從“人造原子”到算力基石

超導量子計算的原理，就是利用並操控這個“人造原子”的能級來進行信息編碼與運算。當電路被冷卻至超導態時，其能量狀態將呈現離散化。通常選取基態（|g⟩）與第一激發態（|e⟩）構成一個量子比特：|g⟩ 映射為 |0⟩，|e⟩ 映射為 |1⟩。

與經典比特的“非0即1”的確定態不同，量子比特能以0和1的疊加態存在——這是一種同時包含0和(hé)1信(xìn)息(xi)的(de)量(liàng)子(zi)狀(zhuàng)態(tài)。理(lǐ)論(lùn)上(shàng)，單(dān)個(gè)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的疊加態有無限多種，隻要滿足測量後坍縮到0或1的總概率為1，就能構成不同概率占比的疊加態。通過施加精確的微波脈衝，可以像“撥動琴弦”一樣，相幹地控製量子比特狀態的演化，執行量子邏輯門操作。

單個量子比特的能力尚且有限，真正的算力爆發來自於將多個量子比特連接起來。超導量子比特的耦合方式豐富多樣，如直接的電容耦合，通過諧振腔實現耦合等。當多個量子比特通過耦合連接起來，它們之間會形成奇妙的糾纏關聯。

03 算力的源泉：量子糾纏與並行計算

糾纏是一種強大的量子關聯，使得多個量子比特成為一個不可分割的整體(tǐ)。通(tōng)過(guò)對(duì)這(zhè)些處於疊加和糾纏態的量子比特進行精巧的編排與測量，便能利用量子並行性，以一種經典計算機無法模擬的方式處理信息，從而在特定任務上實現算力超越。

例如，在一個有50個糾纏量子比特的係統中，理論上其所能描述的狀態空間複雜程度（2^50，約1000萬億種可能性）已讓最強的(de)經(jīng)典超級計算機難以模擬。這種指數級增長的信息處理潛力，正是穀歌“懸鈴木”和我國“祖衝之號”實現量子計算優越性——即在特定任務上超越最強經典超級計算機的底層邏輯。需要強調的是，量子並行並非同時讀出所有(yǒu)結(jié)果(guǒ)，而(ér)是(shì)通過量子幹涉等機製，將正確答案的概率大幅放大，從而高效解決問題。

圖3 “祖衝之”號量子計算原型機

（圖片來源：安徽新聞聯播視頻截圖）

結語

在“國際量子年”的背景下，2025年諾貝爾物理學獎為糖心免费视频提供了一個絕佳的窗口，去審視超導量子計算這一顛覆性技術。糖心免费视频從諾獎認可的宏觀量子現象出發，深入淺出地介紹了約瑟夫森結這一“量子引擎”如何創造“人造原子”，並理解了極低溫環境的重要性，以及量子比特的疊加與糾纏為何能帶來指數級算力提升。至此，超導量子計算機的核心工作原理已清晰呈現。

然而，原理上的優勢如何轉化為工程上的勝勢？這條通往未來的道路上又存在著哪些必須跨越的鴻溝？全球產業界正如何布局，以攻克極低溫負擔、量子比特脆弱性以及規模化難題？敬請關注下篇。

參考文獻

[1] （1985年的論文是三位2025年諾貝爾物理學獎得主的奠基性工作，首次在電流偏置的約瑟夫森結中實驗觀測到能級的量子化，直接驗證了宏觀電路中的量子效應）Martinis J M, Devoret M H, Clarke J. Energy-level quantization in the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction[J]. Physical review letters, 1985, 55(15): 1543.

[2] （首次明確觀測並報道了宏觀量子隧穿現象）Devoret M H, Martinis J M, Clarke J. Measurements of macroscopic quantum tunneling out of the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction[J]. Physical review letters, 1985, 55(18): 1908.

[3] （“懸鈴木”超導處理器在特定任務上實現“量子優越性”）Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[4] （“祖衝之號”實現“量子計算優越性”）Wu Y, Bao W S, Cao S, et al. Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180501.

[5] （“祖衝之三號”進一步刷新了超導量子計算優越性的世界紀錄）Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(9): 090601.

作者：欒春陽 清華大學物理係博士

王(wáng)雨(yǔ)桐(tóng) 清(qīng)華(huá)大(dà)學(xué)物(wù)理(lǐ)係博士

審核：黨蕾 中國科學院高能物理研究所高級工程師

           楊峰 中國科學院理化技術研究所副研究員

策劃：翟國慶

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