「宏觀量子穿隧」現象在超導電路中是如何被觀察到的？

超導電路中「巨觀量子穿隧」現象的觀測方式

2025年諾貝爾物理學獎頒給了John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis，以表彰他們在超導電路中展示的「巨觀量子穿隧效應」和「能量量子化」現象。這項成果突破了傳統對於量子效應僅限於微觀世界的認知，證明即使是由大量粒子組成的電路，也能呈現明確的量子行為，對量子工程與量子運算硬體設計具有重大意義。

量子穿隧效應的實驗展示

研究人員使用由兩個超導體和中間薄絕緣層組成的「約瑟夫森接面」電路，觀察到電子配對（稱為庫柏對）集體行動的現象。正常情況下，處於「沒有電壓」穩定狀態的電路不會自行改變，但實驗中卻觀察到電路突然「跳」到有電壓的狀態。這就像整個系統穿過了看不見的能量障礙，即巨觀版本的量子穿隧效應。簡單來說，就像球沒有足夠能量穿過牆壁，但在量子世界中，粒子卻有機率直接出現在牆的另一邊。

能量量子化的驗證

研究人員通過微波「餵能量」給系統，發現系統並非連續吸收能量，而是只有在特定能量差時才會吸收，並躍遷到更高的能階。這證明即使是由數十億個庫柏對組成的巨大系統，其能量仍然以「固定份量」的形式呈現。這如同電梯只能停在特定樓層，原子、電子的能量也只有特定能階可以存在，要改變狀態，必須獲得一份固定大小的能量，稱為「量子」。

對量子電腦的意義

這些觀測結果為更穩定、可擴充的超導量子電腦硬體奠定了基礎，讓量子電腦的核心零件更「聽話、穩定、可量產」，使量子電腦更接近實用階段。研究證明，量子效應不僅存在於微小世界，也能在「電路」這類大型系統中可靠重現。對於超導量子位元而言，這意味著能更精準地設計能階與穿隧特性、減少雜訊、延長相干時間，並提升運算準確性。由於可在巨觀電路中量測與控制，製程與品管更貼近半導體工業，良率與可擴充性有望提升，讓量子處理器從少數位元走向更大型、可實際解決問題的機器。