物理学中的一个重要问题是：能够展现量子力学效应的系统最大可以达到什么尺度。今年诺贝尔奖获得者通过电路实验，在一个尺寸足以置于掌心的系统中，展示了量子力学隧穿效应与能量量子化。
量子力学允许粒子通过所谓“隧穿”的过程直接穿越势垒。一旦涉及大量粒子，量子力学效应通常会变得微不足道。获奖者的实验证明，量子力学特性可以在宏观尺度上得以具体呈现。
1984年和1985年，约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷和约翰·M·马丁尼斯利用超导体构建了一个电子电路，并进行了一系列实验。在该电路中，超导元件被一层薄薄的绝缘材料隔开，这种结构被称为约瑟夫森结。通过精确改进并测量其电路的各种特性，他们得以控制和探索当电流通过时产生的现象。流经超导体的带电粒子共同构成了一个系统，其行为犹如一个遍布整个电路的单一粒子。
这个宏观的类粒子系统最初处于一种无电压的电流流动状态。系统受限于此状态，仿佛被一道无法穿越的势垒所阻挡。实验中，该系统通过隧穿效应成功脱离零电压状态，从而展现了其量子特性。系统状态的改变通过电压的出现而被检测到。获奖者们还证明了该系统的行为遵循量子力学的预测——它是量子化的，意味着它仅吸收或释放特定数量的能量。
他们的研究首次无可辩驳地证明，一个由数十亿对电子组成的、人手可以触摸的“宏观”物体——超导电路，可以像单个原子一样，遵循量子力学的奇异规则。这项工作将量子世界从微观粒子和思想实验的领域，成功带入了可被精确设计和操控的宏观工程系统中，为现代量子计算和量子科学的发展铺平了道路。
自量子力学诞生以来，其结论就一直挑战着人们的直觉。其中最著名的莫过于“薛定谔的猫”思想实验：由于放射性原子核的衰变处于“衰变”与“未衰变”的叠加态，一只与之关联的猫，也因此处在“生”与“死”的叠加态。这个思想实验形象地指出了将量子法则应用到宏观世界是何等荒谬。在现实世界中，我们从未见过一只“既生又死”的猫，这是因为宏观物体与周围环境存在着无法避免的相互作用，这种相互作用会极快地破坏掉精巧的量子叠加态。
然而，一个大胆的问题在20世纪70年代末被物理学家安东尼·莱格特提出：我们能否在实验室里，创造出一个“迷你版”的薛定谔的猫？他将目光投向了超导电路，因为其极低的电阻意味着它与环境的耗散耦合非常微弱，这为维持宏观量子态提供了可能。他预言，在超导电路中，或许可以观测到一种被称为“宏观量子隧穿”的现象。
莱格特的理论构想为实验物理学家们指明了方向，而实现这一构想的决定性工作，正来自于本次获奖的三位科学家。1980年代，在美国加州大学伯克利分校，约翰·克拉克教授与他当时的研究生约翰·马丁尼斯以及来自法国的博士后米歇尔·德沃雷组成了一个强大的团队。他们的目标非常明确：在一个简单的“电流偏置约瑟夫森结”系统中，寻找宏观量子效应存在的确定性证据。这项实验的挑战是巨大的，任何来自外界的微小噪声都可能“加热”系统，其效果会与真正的量子隧穿现象相混淆，导致错误的结论。
为了取得决定性的证据，伯克利小组展现了高超的实验技巧。他们设计并使用了一套包含铜粉微波滤波器在内的复杂滤波链路，对特定频率范围内的噪声实现了惊人的衰减。同时，他们利用一种名为“共振激活”的技术，在不依赖理论拟合的情况下，独立地、原位测量了约瑟夫森结的等离子体频率、阻尼电阻和临界电流等所有关键参数，这使得他们的实验结果可以直接与理论预测进行定量比较，排除了不确定性。经过不懈的努力，他们最终取得了历史性的突破。实验数据显示，当温度降低到某个临界点以下时，系统的“逃逸”行为便不再依赖于温度，其分布特征与量子隧穿的理论预测完全吻合，这证明了系统的行为是由量子力学主导，而非经典的热激活。更令人震惊的是，他们通过微波光谱技术发现，这个由无数库珀对构成的宏观系统的能量，并非连续变化的，而是存在着像单个原子能级一样分立的、量子化的能级。他们甚至观测到了系统从不同的激发态隧穿出去的现象，其能量间隔与量子力学计算的结果精确相符。
这一系列实验清晰地表明：只要能够与环境充分隔离，即便是大到可以“用手触摸”的电路，其整体行为也会服从量子力学的规律。研究者曾将他们的系统比喻为“宏观原子核”，并设想通过导线将这些“宏观原子核”连接起来，去构建全新的量子系统。克拉克、德沃雷和马丁尼斯的工作，成为量子科学的重要转折点。它不仅证明了宏观量子效应的存在，更展示了人类有能力在实验室中制造并操控这样的体系。
这一发现直接催生了“超导电路可作为人造原子”的思想，使其逐渐成为构建量子计算机最具潜力的平台。如今，全球领先的量子研究团队广泛使用的 Transmon 量子比特，以及极大延长量子相干时间的电路量子电动力学（cQED）架构，其物理学基础都可以追溯到上世纪八十年代这批奠基性实验。从验证一个曾被视作悖论的设想，到开辟一个全新的量子工程领域，他们的研究展示了基础科学如何在数十年后转化为颠覆性的技术资源。
诺贝尔物理学委员会主席奥勒·埃里克松表示：“能够见证拥有百年历史的量子力学不断带来新的惊喜，这实在令人欣喜。它也极具实用性，因为量子力学是所有数字技术的基石。”
计算机微芯片中的晶体管便是环绕在我们身边、已成熟应用的量子技术之一。今年的诺贝尔物理学奖为发展下一代量子技术，包括量子密码学、量子计算机和量子传感器，提供了新的机遇。
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