法国作家勒内・马塞尔经典短篇小说《穿墙记》讲了一个穿墙故事：

平庸内向的小职员杜蒂耶尔，某天突然发现自己拥有穿透墙壁的超能力。

他无聊时穿墙回家、穿墙进出银行金库盗取钱财；

靠穿墙术过上风光生活，混迹上流社会。

一次穿墙中途突然能力失效，半截身体卡在墙体里，最终嵌在墙壁中死去。

一、引子：2025年诺贝尔物理学奖

给一个有着缺口（约瑟夫森结）的非闭环电路两极施加微电压，在超导状态下，竟然测量出了电流！

太可怕了，这意味着电流脱离了导体，在空气中流动么！什么情况？！这个不是高压电离空气放电现象，这是量子隧穿现象----量子穿透障碍物的“穿墙术！”

我屏住呼吸目不转睛地盯着屏幕上2025年诺贝尔物理学奖得主约翰·克拉克教授在演示讲解这个叫做量子隧穿效应的电路板，他们三人在实验室里制造出来的，并由此获奖。

我梦幻了一下自己：我可以穿过隔墙，去金库吗？

2025年诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷和约翰·马蒂尼斯，以表彰他们在宏观电路中首次实验发现“量子隧穿”与“能量量子化”的奠基性贡献。

这一成果不仅将著名的“薛定谔的猫”思想实验在某种程度上变为现实，更标志着人类对量子现象的认知从“观察微观”迈向了“建造宏观”的新时代。

先从“量子隧穿”说起吧。

二、“量子隧穿”的发现与应用

量子隧穿天天伴着我们。

太阳之所以能发光发热，就是因为氢原子核靠“隧穿”效应越过了能量壁垒，发生了核聚变。

我们每天使用的U盘、手机闪存和电脑的固态硬盘，都是利用浮栅晶体管（FG-MOS）的电子“穿墙”出入绝缘层的效应来存储数据的（这是离电存储，与内存条在电存储不同）。

什么是量子隧穿？

量子隧穿的研究历程跨越了近百年，多位杰出科学家接力推进，从微观粒子到宏观系统层层突破。

量子隧穿效应理论的提出：

1927年，德国著名理论物理学家弗里德里希·洪德（Friedrich Hund，1896.2－199年.3）在研究分子光谱时发现了双阱势中的量子隧穿振荡，量子会在两个势阱之间来回穿越中间障碍。

他定量给出了振荡周期与势垒高度、宽度的关系，奠定了隧穿效应的理论基础。

首次用量子隧穿效应解释原子核的α衰变：

1928年，俄裔美籍核物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow, 1904-1968）首次用量子隧穿效应解释原子核的α衰变。

这是首次成功将量子力学应用于核物理现象，意义重大。

量子隧穿理论的普适：

德裔犹太籍理论物理学家马克斯·玻恩（Max Born, 1882-1970, 1954年诺奖得主）进一步将隧穿概念推广到金属电子冷发射等领域，使隧穿理论从一个核物理专用工具变成了普适的量子力学概念。

三、突破：从微观到超导隧穿

半导体量子隧穿效应的发现：

日本著名物理学家江崎玲於奈（Leo Esaki, 1925-），发现半导体量子隧穿效应。

他于1957年发明了隧道二极管——首个展示固体中电子隧穿性质的量子电子器件，也是第一个被发明的量子电子器件。

他因此与贾埃弗、约瑟夫森共同获得1973年诺贝尔物理学奖。

超导体中量子隧穿效应验证：

挪威裔美国物理学家伊瓦尔·贾埃弗（Ivar Giaever, 1929-），于1960年实验证实了超导体中的量子隧穿效应，展示了超导体的能隙——这是BCS（三人姓氏首字母）超导理论的重要预测之一，同样获得1973年诺奖。

库珀对（超导电子对）的隧穿效应：约瑟夫森结

英国著名理论物理学家布赖恩·约瑟夫森（Brian Josephson, 1940-）于1962年（22岁）预测了库珀对（超导电子对）的隧穿效应——即"约瑟夫森效应"：超电流可以穿越两个超导体之间的薄绝缘层。

约瑟夫森效应不仅证实了宏观量子态的动力学特性，还为后续研究提供了关键的实验平台——约瑟夫森结，因此获得1973年诺奖。

这个理论是2025年物理学诺奖的理论基础之一。

BCS超导理论：超导体中的库珀对量子的统一性

美国物理学家约翰·巴丁（John Bardeen，1956 年因发明晶体管获诺奖）、利昂·库珀（Leon Cooper）和约翰·施里弗（John Robert Schrieffer）共同提出了BCS超导理论，解释了超导体中电子两两配对形成"库珀对"的机制。

整个超导体中的库珀对可以描述为统一的量子力学系统，拥有共同的波函数，获得1972年诺奖。

这个理论也是2025年物理学诺奖的理论基础。

四、再突破：宏观量子隧穿理论与实证

宏观量子隧穿的理论框架的提出：

安东尼·莱格特（Anthony Leggett, 1938-, 2003年诺奖得主）提出了宏观量子隧穿的理论框架，论证了在宏观超导量子器件中观测到宏观量子隧穿的可能性。

他提出了判定"宏观量子性"的三个条件：可区分的宏观态、显著的量子效应、有限的环境耦合。

他将这个系统与"薛定谔的猫"思想实验类比——为实验物理学家指明了验证方向。

该理论为下面的2025年物理学诺奖的宏观量子隧穿产品提供了实践方向。

2025年物理学诺奖：把量子效应从微观推进到宏观尺度

约翰·克拉克（John Clarke, 1942-，加州大学伯克利分校教授）、米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret, 1953-）、约翰·马蒂尼斯（John M. Martinis, 1958-）

三人合作在约瑟夫森结电路中首次实验证实了宏观量子隧穿和能量量子化。

整个超导电路中数十亿库珀对协同隧穿，表现出如同单一粒子的量子行为，产生了可测量的宏观电压。

这打破了"量子效应只存在于微观世界"的传统认知，将量子效应从微观推进到了宏观尺度。

五、用量子隧穿制造的产品

约瑟夫森结超导电路

量子隧穿完全不是一个新鲜东西。

2025 年诺贝尔物理学奖奖励的成果是三位科学家在1984—1985 年，在美国加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利实验室完成的整套约瑟夫森结超导电路实验。

为什么拖到今天才奖励，肯定有原因的。

看看量子隧穿的“产品”：

已知的第一个星球：太阳，大约46 亿年前。

第一个人造太阳：

1.最早装置原型：1958 年（苏联 T-1）

2.技术路线验证成功：1968 年（苏联 T-3）

3.可控聚变首次产出能量：1991 年（欧洲 JET）

4.全球首台全超导稳态人造太阳：2006 年（中国 EAST）

5.惯性约束激光聚变首次净能量增益：2022 年美国 NIF

第一台设备：扫描隧道显微镜（STM），让人类第一次看见原子、测量原子间距离。

6.1981：IBM 苏黎世实验室，Binnig & Rohrer 实验室原型 STM 诞生

7.1984：美国 Digital Instruments 全球首台商用 STM 正式上市销售

8.1986：发明人获诺贝尔物理学奖；

AFM 发明，商用 SPM 一体机开始出现

9.1990 年代：蔡司、岛津、精工等多家外企入局商业化量产

10.2010 年后：国产商用 STM/AFM 成熟产业化

第一个闪存产品：

11.1967：浮栅管原理发明（贝尔实验室）

12.1984：首款浮栅结构商用 EEPROM 芯片上市（Intel 英特尔的 2864 EEPROM）

13.1987：NOR Flash 浮栅闪存正式商用（Flash 名称诞生，英特尔的NOR Flash）

14.1989：NAND Flash 问世，奠定现在 U 盘 / 手机闪存基础（东芝推出的NAND 型浮栅 Flash，成为 U 盘、存储卡、手机内置闪存、固态硬盘的主力）

六、深入了解量子隧穿的宏观制造

实验产品

（圆盘为黄铜 / 镀金圆形 PCB 基板，边缘一圈多个定位、紧固、微波馈电小孔，中心方形窗口固定超导约瑟夫森结硅芯片，就是方块里的微小超导电路。

）

“量子隧穿”效应就是微观世界里粒子的神奇“穿墙术”。

一旦物体变成我们日常能看到的宏观物体，这个效应就会消失。

然而，2025年诺贝尔物理学奖三位物理学家，他们却成功在宏观电路中验证了量子隧穿现象。

这套装置是约翰・马丁尼斯（John Martinis）博士在读期间完成实验的原始设备，也是本次诺奖表彰「超导电路中宏观量子隧穿、能量量子化」的核心实验载体。

整套分为两大部分：圆形载片（芯片底座）+超长同轴屏蔽铜管腔体（用于装入芯片），必须在极低温（液氦 / 极低温制冷机）环境下运行。

芯片内部是超导体-极薄绝缘层-超导体三层“三明治” 微观结构（铝 / 铌超导体夹氧化层绝缘膜），尺寸仅微米级别。

三位科学家正是靠这个结构，首次在由上亿电子组成的宏观超导电路上，观测到只属于微观粒子的量子隧穿（量子穿墙）、能级量子化，打破了“只有单个粒子才有量子效应” 的认知，直接奠定超导量子比特、超导量子计算机的物理基础。

简言之，就是把约瑟夫森结超导芯片固定在黄铜圆片上，塞进填满铜粉的超长屏蔽铜管里，放到接近绝对零度的极低温环境，通过导线通入微弱电流、微波探测，最终测出宏观超导回路可以发生量子隧穿、能量只能取离散量子台阶，完成了这次改写量子力学适用边界的里程碑实验。

七、价值

这套 80 年代简陋但设计极致的低温超导电路，就是今天谷歌、IBM 超导量子计算机量子比特（Qubit）的初代原型，直接开启了实用化超导量子计算时代。

那么，当微观的“穿墙术”来到宏观世界，又会带来什么改变呢？

三位获奖科学家在接近绝对零度的极低温下，用超导材料做了一个包含数十亿个粒子的宏观电路。

在这个极端的条件下，原本各自为战的电子们“抱团”协同运动，让整个庞大的电路表现得像一个单一的量子粒子。

实验证明，这个宏观系统不仅能作为一个整体发生“穿墙”，它的能量还像楼梯台阶一样，呈现出分立的“量子化”特征。

这一发现的意义是颠覆性的。

它意味着量子效应不再只是实验室里只能被动观察的微观现象，而是变成了人类可以通过导线连接、测量和控制的工程系统。

这项宏观量子技术正在悄然改变未来，最直接的应用就是超导量子计算机。

如今驱动全球领先量子处理器的核心元件，正是基于这种宏观量子隧穿效应，它有望在药物研发和材料科学上实现算力的指数级飞跃。

此外，基于该效应制造的超导量子传感器，能够捕捉极其微弱的磁场变化，不仅可以帮助医生无创地监测大脑神经元活动，还能在没有GPS信号的地下隧道里实现精准定位，甚至在检测半导体芯片故障时大显身手。

微观的“穿墙术”来到宏观世界，只能在电子电路中呈现效应么？我们知道，物质世界的本质都是粒子构成的，超量的微观粒子构成了物体的形态。

我们眼见的物质世界，在什么条件下，它才有可能发生障碍穿越呢？

《聊斋志异・崂山道士》讲了一个家喻户晓的故事：年轻人王生上崂山拜师学道，嫌每日砍柴辛苦，不愿苦修，只求速成法术。

道士见他心志不坚，只传授最简单的穿墙咒：口念咒语，对准墙壁径直冲撞即可穿过。

道士当场示范，身子一纵直接穿墙而过，墙壁毫无破损。

王生大喜，学成下山，回家当众炫耀，默念咒语猛撞墙壁，结果头撞大包、血流不止，法术当场失效。

如果有一天，我突然出现在了隔壁老王家，那是我已经把自己的身体量子化了，大概率是穿了墙也。

声明：本文内容仅代表作者个人观点，与本站立场无关。

如有内容侵犯您的合法权益，请及时与我们联系，我们将第一时间安排处理。