2026年7月28日——电子在晶体管中飞速穿梭，为我们智能手机的屏幕提供动力。来自遥远恒星的光线以比宇宙中任何事物都快的速度射向地球。质子使核磁共振成像设备能够分析人体的损伤情况。

量子力学解释了电子、光子和质子等亚原子粒子的行为。与我们能用感官观察到的经典物理学相比，量子领域中的粒子具有不寻常的行为。尽管量子粒子让常见技术成为可能，但我们在日常生活世界中并未体验到这些行为。

这就是1985年的一项发现为何如此重要的原因。在加州大学伯克利分校的一个实验室里，一个由三位科学家组成的团队证明了一个可见的系统能够展现量子行为。或者，正如他们在报道该实验的一篇期刊文章中所说，这个系统“大到足以让人亲手触摸”。

四十年后，约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马丁尼斯因这项研究被授予诺贝尔奖。在这四十年间，量子研究人员将当时看起来像是一个有趣发现的东西，转变成了一个成熟的技术领域。基于这项由美国能源部科学办公室支持的基础研究，科学家们将超导量子比特发展成为最有前景的量子计算方法之一。

为什么是量子行为？

正如你可能知道的，光既可以表现为波，也可以表现为粒子。这种二象性适用于所有亚原子粒子，包括电子。量子力学解释了这种双重性质如何影响粒子的相互作用。这些对我们周围的经典世界具有重大影响。

加州大学伯克利分校教授伊尔凡·西迪基说：“量子力学是为了解释那些似乎违背经典物理学的现象而被创造出来的。”

在一个经典系统中——比如一个在空中运动的篮球——有许多变量，例如位置和速度。这些变量随时间变化，比如球会减速。然而，每个变量在任何时刻都有一个单一的、真实的值。通过测量物体的初始状态，你就能算出球最终会落在哪里。

但这并不适用于量子态。它们在被测量之前，在任何时刻都不具有特定的、确定的值。虽然量子粒子从一个独特的状态开始，并根据运动方程变化，但它没有一个一致性的最终状态。科学家使用概率来描述获得任何可能最终状态的可能性有多大。

虽然有许多类型的量子行为对量子技术很重要，但获得诺贝尔奖的实验主要集中在两个方面：电路中的量子化和量子隧穿。

量子化

量子化是指量子粒子具有离散的、特定的能量或动量值的概念。

回想一下那个篮球。当它朝着篮筐运动时，根据投掷的力度、风力和其他因素，它可以具有一系列可能的能量。如果我们测量篮球的能量，我们可以使用小数来测量它。

但是电子的能量不能有这样一个范围。相反，它只有一份一份的能量。我们只能用量子世界中相当于整数的方式来测量电子的能级。

量子隧穿

量子隧穿是指量子粒子能够穿过根据经典物理学它们本不该能穿过的材料或能垒的能力。

想象一下，在篮球和篮筐之间有一堵砖墙。没有足够的能量把篮球扔过墙。即使你扔了一百万个篮球，也没有一个能直接出现在墙的另一边。

但对于量子粒子来说，其中一些将能够穿过这个屏障，无论是物理屏障还是能量屏障。存在一定的概率有些粒子会出现在另一边。

科学家们首先在自然界中观察到量子隧穿。不稳定的原子核在衰变时展现出量子隧穿效应。太阳中的聚变也依赖于它。根据经典原理，太阳内部的温度和压力太低，不足以发生聚变——然而它却光芒四射！

从量子到经典

尽管这些效应看似离奇，但它们构成了我们周围世界的结构。

美国能源部费米国家加速器实验室和超导量子材料与系统中心的副科学家卢瑶说：“在我们生活的经典世界里……一切都是量子力学的。[但]我们在日常生活中并不能真正观察到很多量子行为。”

这是因为量子效应非常脆弱，周围环境会干扰它们。此外，某些材料中的量子效应只会在极低的温度下发生。地球较温暖的环境不利于它们。

马里兰大学助理教授艾丽西亚·科拉尔说：“物理学中有一个普遍的规则，即物理学的基本构建块是量子力学的[但]等到你能够用眼睛看到或用手触摸它时，这一切都消失了。”

1985年，能够在比量子尺度更大的尺度上观察到量子化和量子隧穿，为量子力学适用于更大系统提供了真实的证据。

卢说：“我们经典世界与量子自由度之间的界限是什么？这是一个非常深奥的问题。”

约瑟夫森结及其发展

在获得诺贝尔奖的工作之前，科学家们已经努力了几十年，试图找出能够显示这些效应的最大尺度系统。

第一个重要的进展是在20世纪60年代。超导材料可以在不将任何能量损失为热量的情况下传输电力。在普通（非超导）材料中，电子自由流动并相互排斥。这就像一群舞者各自为政，互相碰撞。但是，当某些材料被充分冷却后，电子会成对排列，就像一对对舞者以协调的方式相互环绕旋转。这些电子对——称为库珀对——使材料能够超导。

1962年，物理学家布赖恩·约瑟夫森提出，这些库珀对可以隧穿穿过置于超导体之间的绝缘势垒。在这种情况下，库珀对将作为一个单一的量子单元起作用。第一个将绝缘体夹在两个超导体之间的“约瑟夫森结”仅一年后就研制成功。

在此基础上，研究人员从理论上提出，他们可以设计一个展现出量子隧穿效应的约瑟夫森结。到20世纪80年代，人们开始努力证明科学家能够展示这种现象。

但所有的实验都不够精确。在每一次尝试中，都可能有一个外部效应，而非量子隧穿，导致了这种变化。

量子隧穿的实际应用

克拉克、马丁尼斯和德沃雷团队登场了。

克拉克研究超导体已有一段时间，他的大部分研究都得到了美国能源部基础能源研究办公室（美国能源部科学办公室的前身）的支持。他与他的博士生马丁尼斯以及博士后德沃雷决定在非量子尺度上演示量子隧穿。在基础能源研究办公室基础能源科学项目的支持下，他们进行了一项极其精确的实验。

美国能源部布鲁克海文国家实验室副主任实验室主任查克·布莱克说：“那些在80年代进行的实验非常困难。我非常钦佩那个团队多年来取得的成就，以及他们工作的高质量和严谨性。”

从一个约瑟夫森结开始，他们创建了一个小的超导电路。然后，他们通过电线注入微波（与用来加热食物的微波相同）来产生电流。利用这个电流，他们控制和测量了电路的参数。

与之前的实验一样，系统从零电压开始。存在一个能量势垒，阻止超导电子穿过它。

为了想象这种情况，可以想象一系列台阶，底部有一个阱。系统开始时，电子被困在阱中。每个台阶代表一个能级。从一个台阶上升到下一个台阶需要精确的能量。根据经典物理学，除非粒子有足够的能量（热激活），否则它们不应该能够上升到下一步。

该团队确保流经系统的电流低于粒子逃脱所需的能量。因此，系统本不应显示出电压。

然而它确实显示了！系统从零电压变为非零电压。这证明了带电粒子隧穿过能量势垒。观察到数万亿个粒子集体展现出量子行为是完全崭新的。除了隧穿效应，超导电子也以量子化的方式行动。

与之前的实验不同，该团队能够证明是隧穿导致了电压的变化。他们能够消除来自周围环境的几乎所有的干扰。

他们的许多方法为后来量子研究的进展奠定了基础。微波实现了精确控制，特殊的滤波器消除了外部影响。该团队甚至考虑到了最微小的热量差异，将实验温度降至零下273.1摄氏度。

卢说：“他们确实在实验设计上付出了巨大的努力。”

最终，克拉克、马丁尼斯和德沃雷宣称他们制造了一个人造原子。换句话说，他们勾勒出了物理学家后来称为量子比特的基本要素，量子比特是量子计算机的基本构建块。

 

从基础科学走向应用科学

该团队对量子隧穿的发现为几十年的量子研究奠定了基础，尽管大多数人最初并未意识到这一点。直到20世纪90年代中期，人们才开始认真讨论量子计算。

布莱克说：“每个人都花了一些时间才真正理解这一发现可能带来什么。”事实上，他在攻读博士学位期间研究的是超导体，但在他找到第一份工作后，并没有预料到会再次研究它们。

尽管许多人没有立即认识到其重要性，但这个里程碑式的实验改变了人们的视角。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院院长、量子物理学家纳迪亚·梅森说：“[它]真正地将三明治结构中的超导结的形象，从……一种深奥的、一次性的效应，转变为一种真正物理的、可操纵的东西。”

从根本上说，该实验提供了一座桥梁，从仅仅观察量子效应到有可能控制和利用它们。这是第一次，一个量子系统足够大，科学家有可能将电子设备连接到它上面。

对于至少一位早期职业研究人员来说，诺贝尔奖具有特殊意义。当诺贝尔奖宣布时，杰西卡·塔克正在进行关于超导量子比特的博士研究。

量子物理学家、前美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室实习生塔克说：“它实际上支撑着我今天所做的一切。看到它在更高层面得到认可……让我看到我的研究脉络是真实而鲜活的。”

量子比特的演化

量子比特是量子计算机的基本构建块。它们类似于经典计算机用于执行二进制运算的数字比特。

然而，量子比特与它们的经典同类非常不同。由于量子物理学的存在，量子比特不仅仅有比特可用的0和1选项。特别是当它们与其他量子比特关联时，它们有大量的可能性。这极大地增加了它们可以处理的信息量。在某些问题上，比如寻找催化剂和从众多选项中选出最有效的方案，量子计算机有可能比经典计算机出色得多。

不幸的是，量子比特对环境影响的敏感度远高于经典比特。当一个量子比特的量子态受到干扰时，它会失去相干性——即保持量子态的能力。它也会丢失其持有的信息。

弄清楚如何在单个量子比特中保持这种相干性，然后将量子比特连接在一起，是开发量子计算机的关键。

回顾量子比特研究的最初25年，布莱克说：“那些年里，超导量子比特的最大进步来自物理学研究小组。我之所以这样说，是出于喜爱，因为我就是个物理学家。”

到20世纪90年代，研究人员已开始尝试创造第一批量子比特。最早的版本只能保持三个纳秒（30亿分之一秒）的相干性。十年后，这项技术已经足够成熟，改进了科学家控制和读取量子比特的方式。

虽然获得诺贝尔奖的团队使用微波向量子比特添加能量，但耶鲁大学的一个团队扩展了这项技术的应用。他们转而使用微波来控制和读出数据。

经典科学再次扮演了重要的辅助角色。凭借其在射电天文学方面的背景，罗伯特·舍尔科普夫带来了微波和超导材料方面的专业知识。

他说：“2004年，当我们的耶鲁团队引入了‘电路量子电动力学’（circuit QED）这个新概念时，我们向前迈进了一大步。”通过减少量子比特损失到环境中的能量，这种方法极大地增加了它们的潜在寿命。

到2007年，科学家们开始将并非直接相邻的量子比特耦合在一起。他们使它们纠缠起来，这意味着将它们连接起来以共享一个共同的量子态。通过纠缠，一个量子比特发生的任何事情都会影响另一个。通过这种耦合，科学家可以在量子比特之间分配信息。如果一个失去相干性，其他的可以弥补。

舍尔科普夫说：“使我们能够做到这一点的，是量子比特稳定性方面的进步。”

到21世纪末，研究人员开发出了第一个电子量子处理器。这比以前开发出的任何东西都更像一台计算机。每个量子比特都像一个单独的原子，尽管它由数百万个原子组成。虽然量子态只持续了一微秒，但这足以开始运行简单的计算。

其他科学家已经开始探索如何调整量子比特的设计，无论是不同类型的约瑟夫森结，还是像石墨烯这样的二维材料的潜力。在后一项研究中，团队发现，当他们将普通导体夹在超导体之间时，普通导体的行为就像超导体一样。科学家们早已知道这种效应，但这是一种新的证明。

梅森说：“对我来说，令人兴奋的不只是理解。我们有这种状态的实际证据，这种状态曾被提出和假设，但从未被展示过。”

随着量子比特科学的演变，科学家们对它们的理解也在加深——这让他们非常高兴。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校助理教授安吉拉·库说：“做科学的一部分就是坦然接受‘哦，我会错的’。通常，惊喜是最好的事情，因为你会学到最多的信息。”

应对退相干问题

早期研究侧重于开发量子比特的基本结构，而最近的研究则进入了更细致的层面。

科拉尔说：“为了让这些东西真正有用，你必须结合大量的工程科学、基础物理学、计算机科学。我们能否以根本上更好或根本不同约束条件的方式来做事？”

最大的挑战之一仍然是退相干——即丢失量子比特的量子态。相干时间越长，量子计算机能进行的操作就越多。退相干的发生是因为单个量子比特脱离了其量子态。单个量子比特失去相干性可能会对其他量子比特产生多米诺骨牌效应。

退相干最常见的原因是能量损失。如果一个量子比特仅仅损失其0.1%的能量给另一种模式，它就可能失效。其他来源包括自然辐射、宇宙射线和热量的干扰。

逻辑上讲，解决办法是将量子比特与周围环境隔离开。这本来是可行的——除了量子计算机（将使用这些量子比特）需要电子设备和控制器这一事实。科学家需要在量子比特与环境之间找到“不多不少”的恰到好处的相互作用点。

加州大学伯克利分校教授伊尔凡·西迪基说：“根本的挑战是把这个开放量子系统拿过来，让它足够封闭以执行操作。在量子力学中没有免费的午餐。”

应对材料挑战

研究人员减少退相干的主要方法之一是改进量子比特中的材料。材料中的缺陷，包括不完美和无意形成的绝缘层，可能是一个大问题。

其中一些工作致力于改进长期使用的超导材料。1985年的原始隧穿研究使用了铌超导体。铌是一种优异的超导体，并且可以在比另一种常见材料铝更高的温度下工作。然而，它难以被加工成量子比特。此外，基于铌的约瑟夫森结的相干时间历来比用其他材料制成的要短。

2021年，普林斯顿大学的研究人员与美国能源部布鲁克海文国家实验室的工作人员合作，研究了铌的特性如何影响相干性。他们建立了退相干时间与材料表面缺陷之间的明确关系。随后在2024年的一项研究将铌与其他金属结合。Q-NEXT中心（美国能源部量子信息科学研究中心）的研究人员没有使用两层铌夹着一层氧化铌的“三明治”结构，而是创造了类似多层“俱乐部三明治”的结构。通过同时使用铌和铝，他们将相干时间比其纯铌的前代产品提高了150倍。

研究钽层

其他研究则侧重于尝试新材料。

正如布莱克指出的，尽管诺贝尔奖获奖团队以及后来的物理学家们才华横溢，但他们并非材料科学家。“如果我们回想经典计算机，贝尔实验室发现的第一个晶体管是用锗制成的，而不是硅。……如果我们一直坚持使用锗，我们今天的电子工业绝不会达到现在的水平，”他说。“克拉克、德沃雷和马丁尼斯使用铝和铌是因为……它们是典型的超导体。它们的选用并非因为某人想：‘我要制造一台量子计算机。’”

量子优势协同设计中心（C2QA）——一个由布莱克领导的美国能源部量子信息科学研究中心——专注于为量子比特寻找最佳材料。它汇聚了来自全国28个机构的量子物理学家、材料科学家和计算机科学家。超导量子材料与系统中心——一个由美国能源部费米实验室领导的美国能源部量子信息科学研究中心——也在量子比特材料方面取得了重大进展。

一个重大进展是使用钽。与铝或铌相比，钽更易于加工、更坚固、反应性更低、缺陷更少，并且在加工过程中更能保持稳定。因此，钽量子比特的寿命比用其他材料制成的量子比特长五倍以上。

2023年的一项研究调查了钽为何如此有效。在C2QA的支持下，来自布鲁克海文和普林斯顿大学的科学家在蓝宝石基底上生长了钽薄膜。他们发现，与铌相比，在“三明治”的两个钽层之间形成的氧化钽层更薄。当量子比特暴露在空气中，金属与氧气反应时，就会形成这层氧化层。这层氧化层含有许多可能导致退相干的缺陷。

次年的一项研究使用计算机模拟来更好地理解导致形成那层填充层的相互作用。在他们的分析中，他们发现了另一层！这个亚氧化物层同时具有钽和无定形氧化物的特征。

2025年的第三项研究深入研究了钽的化学性质和表现，并发现了又一层！这一层位于钽与其生长的基底之间，而不是在两个钽层之间。

这些层会干扰保持量子比特相干性的过程。或者正如西迪基所说：“你可以给它起个花哨的名字，但它就是量子垃圾。”

在知道这些层是提高相干性的障碍后，科学家们研究了如何防止它们形成。一种方法是保护金属免受氧气影响。在C2QA 2024年的一项研究中，团队向混合物中添加了一层镁。除了保护钽免受氧气影响外，它还提高了钽的纯度，使其能够在更高温度下成为超导体。虽然确实形成了一层非常薄的氧化层，但它比以前的方法要小得多，干扰也小得多。

整合所有成果

最近的突破也来自C2QA，由普林斯顿大学的研究人员领导。2025年秋天，该团队构建了一个超导量子比特，其相干时间比之前最佳版本长三倍。它比行业标准长15倍！为了证明其有效性，该团队制造了一个功能齐全的量子芯片。在现有最好的量子处理器中使用这些组件，可以使其性能提升超过1000倍。

这些改进来自于全面考虑材料挑战。通过在硅（而非蓝宝石）基底上生长钽层，他们减少了“量子垃圾”层及其影响。由于当前的电子产品基于硅，基于硅的量子比特也更易于生产。该团队还最大限度地减少了生产过程中产生的污染。

也许最重要的是，这些改进不需要对量子比特架构进行任何重大改变。这种设计将与目前使用的大多数常见处理器兼容。

在描述C2QA完成的工作时，布莱克说：“这是真正优秀的超导器件人员与真正优秀的材料科学家以及一流的材料科学研究设施的联姻。”

控制‘控制’

即使科学家解决了材料问题，仍然存在许多挑战。

主要问题之一是对量子系统的控制可能会破坏其量子态。塔克说：“这个领域正在发现控制是一个真正的瓶颈。”她认为使用机器学习对这些系统进行闭环控制前景广阔。机器学习将允许系统自身提供最佳运行方式，而不是仅仅依赖模拟模型。“真实的硬件总有模拟无法完全捕捉的缺陷，”她说，“当你的优化循环在设备上运行时，硬件本身会告诉你需要纠正什么。”

控制必须快速且精确。为了实现这一目标，研究人员继续借鉴高频微波工程方面的知识——这是经典工程中的一个关键领域。

卢说：“一旦我们利用了大量我们可以从其他领域的工程师那里借用的成熟专业知识，我们就能够取得创纪录的成果。”

关注纠错

不幸的是，研究人员永远无法完全消除退相干。这就是纠错的用武之地。通过精确定位量子比特丢失信息的位置，计算机科学家可以在错误发生时对其进行修复。

当然，在量子计算中，事情从来没有那么简单。事实上，修复一个错误可能会导致更多错误。很可能仅仅纠正错误就会占用大部分实用量子计算机的时间和资源。

到2016年，研究人员在量子纠错方面实现了“收支平衡”，表明他们可以在错误发生时加以纠正。这意味着一个量子比特能够比其各个部分独立工作时更长时间地保持相干性和信息。到2023年，一个由美国能源部科学办公室支持、包括德沃雷在内的C2QA团队，能够将比收支平衡点的时间延长一倍。这表明不存在任何根本性障碍会阻止纠错能力的进一步提高。

科拉尔说：“当你找对了人，问对了问题，你就能打开那些紧闭了很久很久的门。这是我很喜欢跨学科研究的一点。”

超导量子比特的未来

量子计算机在科学研究中普及还需要一些时间，但相关工作正在顺利进行。

舍尔科普夫说：“量子计算是一种完全不同的思考信息和模拟自然界或计算问题的范式。我们还没有达到普通计算发生的那种突破性时刻……人们开始思考可以用计算机做哪些全新的事情。”

人工智能可能在推动量子技术发展中发挥作用。美国能源部的“起源使命”旨在结合人工智能、量子计算和超级计算，将研究生产力提高一倍。

无论超导量子比特研究从这里走向何方，其快速演化都令人惊叹。

梅森说：“它将一项技术从梦想转变为真正可行的事物。”

在过去的四十年里，这一进步是通过细致、精确的实验实现的，这些实验带来了微小的改进。一步一步地，每一个发现都为超导量子比特的宏大叙事做出了贡献。

或者正如布莱克所说：“它竟然能工作，这本身就是难以置信的。我为我们人类感到无比骄傲，我们能够取得如此巨大的进步。”