电子在晶体管内飞速运动，点亮智能手机屏幕；光线从遥远恒星奔赴地球，速度冠绝宇宙；质子支撑核磁共振仪，帮助医生分析人体损伤。量子力学用于阐释电子、光子、质子等亚原子粒子的运动规律。人类感官所能观测的经典物理世界截然不同，量子尺度下的粒子会呈现各类奇异特性。尽管日常各类技术设备都离不开量子粒子，但人们在现实生活中无法直接感知这些量子行为。

这也让1985年的一项发现具备划时代意义。加州大学伯克利分校一个三人科研团队证实，肉眼可见的宏观系统同样能够展现量子效应。正如他们在实验相关论文中所述，这套系统 “大到足以让人亲手触碰”。

四十年后，John Clarke、Michel Devoret与John Martinis凭借这项研究斩获诺贝尔物理学奖。在这四十年间，量子领域研究者将当年这项颇具趣味性的科学发现，发展成一套完整的技术赛道。依托这项基础研究，科学家把超导量子比特打造为最具潜力的量子计算技术路线之一。

为何要研究量子效应？

光同时具备波与粒子两种形态，这种波粒二象性适用于所有亚原子粒子，电子也不例外。量子力学解释了该双重特性如何影响粒子之间的相互作用，而这会对我们所处的经典世界产生深远影响。

加州大学伯克利分校教授Irfan Siddiqi表示：“创立量子力学，就是为了解释众多经典物理学无法阐释的现象。”

在经典系统中，比如空中飞行的篮球，存在位置、速度等大量变量，各项参数会随时间改变，例如篮球逐渐减速。但任意时刻，每一项变量都拥有唯一确定的数值。只要测出物体初始状态，就能预判篮球最终落点。

这套逻辑无法套用在量子态上。在完成测量之前，量子体系不存在确定的物理量。量子粒子虽然从特定初始状态出发，并遵循运动方程演化，却没有固定最终状态。科学家只能借助概率，描述粒子出现各类结果的可能性。

量子技术涉及多种量子效应，而这项诺奖级实验重点研究电路体系内的两种现象：量子化与量子隧穿。

量子化指量子粒子携带的能量、动量只能取分立、特定数值。还是以篮球举例。篮球飞向篮筐时，可以拥有连续区间内任意大小的能量，取决于投掷力度、风力等条件。我们测量篮球能量时，可以得到带小数的数值。但电子不具备连续的能量取值，能量只能一份一份变化，电子能级只能取量子体系下类似整数的分立数值。

量子隧穿指量子粒子有概率穿过按照经典物理规则本无法逾越的势垒或者阻隔材料。想象篮球与篮筐之间立起一堵砖墙。仅凭现有动能，篮球不可能穿墙而过，即便投放上百万次，也不会有一颗篮球凭空出现在墙体另一侧。但量子粒子不一样。无论阻隔物是实体材料还是能量势垒，一部分粒子有概率直接穿越，有机会出现在势垒另一边。

科学家最早在自然界观测到量子隧穿现象：不稳定原子核发生衰变时会产生量子隧穿；太阳内部核聚变同样依赖这一效应。按照经典物理理论，太阳内部温压条件不足以触发核聚变，然而太阳却持续发光。

从量子尺度走向经典世界

这些量子效应听起来十分离奇，却是构筑现实世界的底层基础。美国能源部费米国家加速器实验室、超导量子材料与系统中心副研究员Yao Lu谈道：“我们所处的经典世界，万事万物本质都遵循量子力学规律，但日常生活中，我们几乎观测不到量子行为。”

原因在于量子效应极其脆弱，极易被周边环境干扰；并且很多材料的量子效应，只能在极低温条件下显现。地球常温环境无法满足条件。

马里兰大学助理教授Alicia Kollár说：“物理学存在一条普遍规律：物质最基础单元服从量子力学，但一旦体系大到肉眼可见、能够触摸，量子特性就会消失。”

1985年，科研人员在远超微观量子尺度的体系观测到量子化与量子隧穿效应，直接证实量子力学定律同样适用于更大尺度系统。Lu提出：“经典世界与量子自由度之间的边界究竟在哪里？这是一个极具深度的问题。”

约瑟夫森结及后续发展

在这项诺奖研究问世前，数十年来科学家一直在探索：能够展现量子效应的系统，尺寸上限能达到多大。

首个重大突破诞生于上世纪 60年代。超导材料可以实现零电阻导电，电流传输不会产生热能损耗。普通非超导材料中，电子自由移动、相互碰撞，如同一群独自起舞、不断彼此磕碰的舞者。特定材料降温至临界温度后，电子会两两配对，像成对舞者协同环绕运动。这些电子对被称作库珀对，也是材料实现超导的核心条件。

1962年，物理学家Brian Josephson提出猜想：库珀对能够隧穿两块超导体之间的绝缘阻隔层，此时库珀对整体表现为单一量子单元。仅仅一年后，人类研制出首个约瑟夫森结，结构为两层超导体中间夹一层绝缘介质。

在此基础上，研究人员设想：设计特定约瑟夫森结，实现量子隧穿效应观测。到 80年代，全球科研团队争相开展实验，试图复现这一现象。

但早期所有实验精度均存在短板，观测到的变化无法排除外界环境干扰，难以确定就是量子隧穿引发。

实验验证量子隧穿效应

John Clarke、John Martinis与Michel Devoret组成的团队带来突破。

Clarke长期深耕超导领域，大量研究得到美国能源部基础能源研究办公室（美国能源部科学办公室前身）支持。他联合博士生Martinis、博士后Devoret，计划在宏观尺度观测量子隧穿。依托基础能源科学项目资助，团队搭建一套精度极高的实验装置。

美国能源部布鲁克海文国家实验室副实验室主任Chuck Black评价：“上世纪 80年代开展这类实验难度极大。我由衷敬佩这支团队多年持续耕耘，实验设计严谨、数据扎实。”

团队以约瑟夫森结为核心搭建小型超导电路，通过导线通入微波（和家用微波炉同种电磁波）形成电流，依靠电流调控、测量电路各项参数。

和以往实验一致，系统初始电压为零，存在一道能量势垒，阻碍超导电子穿越。我们可以这样理解：底层存在一处凹槽，电子初始被困在凹槽内部；一层层台阶代表不同能级。粒子需要获得固定能量，才能向上跃迁一级台阶。经典物理学认为，粒子若没有足够热能，无法向上跨越能级。

团队调控电路电流，使其低于粒子实现逃逸所需阈值。按照经典理论，电路电压应当始终维持为零。

然而实验观测到电压从零转变为非零数值！这证明带电粒子隧穿越过能量势垒。数万亿粒子集体展现量子行为，属于前所未见的观测结果。除隧穿效应之外，超导电子同时呈现量子化特征。

和以往所有实验不同，该团队能够证实电压变化源于量子隧穿，几乎隔绝了外界所有环境干扰。

他们搭建实验的诸多方案，为后续量子研究铺路：微波实现精准调控，特制滤波器屏蔽外部噪声；团队甚至细致考量微小温差，将实验温度降至零下 273.1摄氏度。Lu感慨：“为完成这套实验，他们付出了巨大努力。”最终，Clarke、Martinis与Devoret宣布成功制造出 “人工原子”。换句话说，他们搭建出物理学家日后所称量子比特（qubit） 的核心雏形 —— 量子计算机最基础单元。

基础科学迈向应用研究

这支团队发现量子隧穿，拉开持续数十年量子研究的序幕，只是最初很少有人意识到这项成果的潜力。直到 90年代中期，学界才正式严肃探讨量子计算。

Black表示：“人们花了很长时间，才真正理解这项发现蕴藏的可能性。事实上，我博士阶段研究超导，毕业后一度认为不会再接触这个方向。”

尽管短期内没有获得广泛重视，这项里程碑实验改变了学界认知。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院院长、量子物理学家Nadya Mason称：“这项研究让夹层结构的超导结，从一种小众、孤立的特殊效应，转变为一套可控、可研究的物理体系。”

本质上，该实验搭建起一座桥梁：人类不再只是被动观测量子现象，而是有望主动调控、利用量子效应。人类第一次制造出足够大的量子系统，可以外接电子控制线路。

对于一名青年科研人员而言，这项诺奖有着特殊意义。诺贝尔奖公布时，Jessica Tucker正开展超导量子比特方向博士课题研究。这位曾在美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室实习的量子物理学家说：“这项成果支撑着我当下的研究。看到相关研究获得顶级认可，我清晰感受到自己研究脉络的延续与生命力。”

量子比特持续演进

量子比特是量子计算机核心单元，对标经典计算机用于二进制运算的比特。但量子比特和经典比特差异巨大。依托量子物理特性，量子比特不止拥有 0、1两种状态；多个量子比特相互耦合时，具备海量叠加状态，信息处理能力实现量级跃升。面对特定问题（例如催化剂筛选、海量方案最优解搜寻），量子计算机性能有望远超经典计算机。

弊端在于，量子比特对比外界干扰远比经典比特敏感。一旦量子比特的量子态遭受扰动，就会发生退相干，失去量子特性，存储信息随之丢失。

如何维持单量子比特相干时间、实现多比特互联，是研发量子计算机的关键。

回顾量子比特研究最初25年，Black谈到：“超导量子比特早期重大突破几乎全部出自物理学研究团队。我本身是物理学家，说这句话深有体会。”

上世纪90年代，科研人员着手试制初代量子比特。最早版本的相干时间仅有 3纳秒（十亿分之三秒）。十年之后，相关技术持续迭代，科学家能够更好地操控、读取量子比特信号。

这支诺奖团队利用微波为量子比特输入能量；耶鲁大学团队进一步拓展微波技术应用，借助微波实现量子比特操控与信号读取。

经典领域技术再次发挥重要支撑作用。Robert Schoelkopf依托射电天文研究积累，掌握微波与超导材料相关技术。

他介绍：“2004年，我们耶鲁团队提出电路量子电动力学（circuit QED）方案，实现重大突破。这套方案减少量子比特向环境流失的能量，大幅提升量子比特理论寿命。”

2007年，科学家实现非相邻量子比特耦合，完成量子纠缠。纠缠意味着多个量子比特共享统一量子态，一个比特发生变化，会同步影响其余纠缠比特。依靠耦合技术，信息可以分布存储在多个量子比特上，部分比特退相干时，其余比特能够弥补信息损失。

Schoelkopf表示：“实现这一切的基础，是量子比特稳定性持续提升。”

2000年代末期，人类研制出首台电子式量子处理器。相比以往所有装置，它更接近一台真正计算机。单个量子比特由上百万原子构成，行为却等效于单个原子。虽然量子态仅能维持一微秒，但已经足以运行简单运算。

与此同时，其他科研团队开始探索优化量子比特结构：尝试不同类型约瑟夫森结，或是石墨烯等二维材料方案。在二维材料相关实验中，团队观测到一种现象：两层超导体中间夹普通导体时，中间普通导体表现出超导特性。学界很早便知晓该效应，但此次实现全新方式验证。

Mason说：“最令人振奋的是，我们不只是建立理论理解，还找到了这种理论预测状态切实存在的物理证据。”

伴随量子比特科学持续发展，人类相关认知不断更新，这也让科研人员倍感欣喜。

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校助理教授Angela Kou谈道：“科研的一部分，就是坦然接受‘自己可能出错’。意外发现往往价值最高，我们从中收获最多新知。”

攻克退相干难题

早期研究重心是搭建量子比特基础结构，近年研究开始深耕各类细节难题。

Kollár提出：“想要让量子比特真正实用，必须融合工程技术、基础物理、计算机科学。我们能否找到全新实现路径，突破以往各类限制条件？”

最大挑战依旧是退相干，也就是量子比特量子态消散。相干时间越长，量子计算机能够执行的运算数量越多。退相干源于量子比特量子态崩塌；单个比特失稳，还可能引发连锁反应，干扰整套系统。

能量损耗是退相干最主要诱因。只要量子比特有 0.1% 的能量外泄，就可能失效；宇宙射线、自然辐射、热量，同样会造成干扰。

直观解决方案是隔绝量子比特与外部环境。理论可行，但量子计算机需要配套电子线路与控制系统。科研人员必须寻找平衡点，控制量子比特和环境之间的相互作用强度。

加州大学伯克利分校Siddiqi说：“核心难题在于，把开放量子系统改造得足够封闭，保障运算正常开展。量子力学中不存在不劳而获的捷径。”

突破材料瓶颈

优化量子比特材料，是科研人员降低退相干的主要手段。材料内部缺陷、杂质、非预期绝缘层，都会严重影响性能。

大量研究围绕改良传统超导材料展开。1985年隧穿实验采用铌基超导体。铌超导性能优异，临界温度高于另一种常用材料铝；但铌难以加工制备量子比特，并且传统铌基约瑟夫森结相干时间普遍短于其他材料体系。

2021年，普林斯顿大学联合美国能源部布鲁克海文国家实验室开展研究，分析铌材料特性如何影响相干时间，明确退相干时长和材料表面缺陷存在直接关联。

2024年，Q-NEXT量子信息科学研究中心团队推出铌合金方案。传统结构是两层铌夹层氧化铌，新结构类似多层三明治，搭配铌与铝两种材料。最终相干时间相比纯铌器件提升 150倍。

探索钽基新材料路线

除此之外，大量研究转向全新超导材料。

Black指出：“这支诺奖团队以及后续众多物理学家造诣深厚，但并非材料学家。回顾经典计算机发展史，贝尔实验室造出第一只晶体管使用锗，而非硅。如果人类一直局限使用锗，现代电子产业不可能发展到如今高度。Clarke、Devoret、Martinis选用铝和铌，只因为二者是经典超导体，并不是基于制造量子计算机的目标挑选材料。”

Black牵头运营的美国能源部量子优势协同设计中心（C2QA），专注筛选适配量子比特的最优材料，汇聚全美 28家机构的量子物理学家、材料科学家与计算机学者。由费米实验室主导的超导量子材料与系统中心，同样在量子比特材料领域取得多项重要进展。

钽材料是一大突破口。相比铝、铌，钽加工难度更低、化学性质稳定、缺陷更少、工艺耐受性更强。钽基量子比特相干寿命达到其他材料器件五倍以上。

2023年一项依托C2QA的研究，揭开钽高性能背后的原理。布鲁克海文国家实验室与普林斯顿大学科研团队，在蓝宝石衬底上生长钽薄膜。夹层结构两层钽之间会生成氧化钽薄层（金属接触空气氧化形成）；对比铌体系，钽生成的氧化层厚度更薄。这类氧化层内部大量缺陷，正是诱发退相干的元凶。

次年，科研人员借助计算机模拟，研究氧化夹层生成机理，并且发现夹层内部还存在另一层次氧化层，兼具金属钽与无定形氧化物特征。

2025年第三项相关研究，进一步厘清钽材料化学反应规律，还发现一层全新界面层：该界面并非两层钽中间，而是钽薄膜与衬底蓝宝石的接触面。

这些界面层都会破坏量子比特相干性。正如Siddiqi调侃：听起来名词很高大上，本质就是各类 “量子杂质”。

意识到界面层是提升相干时间的阻碍后，科学家开始研究抑制氧化层生成。其中一条思路是隔绝氧气，保护金属薄膜。

C2QA团队 2024年公布方案：薄膜体系加入镁保护层。镁既能隔绝氧气，提升钽纯度，还能提高材料超导临界温度。薄膜依旧会生成薄层氧化物，但厚度大幅缩减，负面影响显著下降。

多项技术整合实现跨越式提升

C2QA由普林斯顿大学团队主导，再次实现重大突破。2025年秋季，团队制备的超导量子比特相干时长达到此前最优器件的三倍，相比行业通用标准提升 15倍。团队搭建完整可用量子芯片验证方案可行性。如果应用在现有顶尖量子处理器中，整体运算性能有望提升上千倍。

性能突破来源于全方位解决材料难题。科研人员改用硅衬底生长钽薄膜，而非蓝宝石衬底，减少各类 “量子杂质” 界面层及其负面影响。现代微电子产业以硅为基底，硅基量子比特更容易实现量产。团队同时最大限度降低制备过程引入的污染物。

最重要的一点：这项优化无需大幅改动现有量子比特架构，能够兼容当下主流量子处理器设计。

谈及C2QA的成果，Black评价：“实现突破离不开超导器件专家、顶尖材料科学家与一流材料实验平台的通力协作。”

操控系统的难题

即便材料层面难题全部解决，量子计算依旧面临重重挑战。

一大核心矛盾：操控量子系统的过程，很容易直接破坏量子态。Tucker表示：行业逐渐意识到，信号操控已经成为性能瓶颈。她十分看好机器学习闭环控制方案。依靠机器学习，系统可以根据硬件实际状态自主优化运行策略，而不是单纯依赖仿真模型。

“仿真无法完整复刻真实硬件所有瑕疵。当优化算法直接对接实物器件，硬件本身就能反馈需要修正的参数。”

操控信号要求高速、高精度。为此，研究人员持续借鉴经典工程领域高频微波设计相关知识。

Lu谈道：“充分吸纳其他工程领域成熟技术经验后，我们不断刷新性能纪录。”

量子纠错持续探索

客观而言，人类永远无法彻底消除退相干，量子纠错因此必不可少。通过定位量子比特信息丢失位置，计算机可以实时修复错误。

但量子纠错远比传统纠错复杂。修复一处错误，极有可能诱发更多新错误。一台具备实用价值的量子计算机，绝大部分算力与资源大概率会消耗在纠错流程上。

2016年，科研人员达成量子纠错 “盈亏平衡点”：实现实时纠错，经过纠错后的量子比特保存信息时长，长于未纠错的单比特。2023年，包含Devoret在内、依托美国能源部科学办公室支持的C2QA团队，将纠错后稳定时长提升一倍。该成果证实，量子纠错性能不存在无法突破的底层物理壁垒。

Kollár说道：“合适的团队聚焦关键问题，就能够突破长期无解的瓶颈。这也是我十分热爱交叉学科研究的原因。”

超导量子比特未来展望

距离量子计算机大规模投入科研日常使用，仍有较长发展周期，但相关研发进程稳步向前。

Schoelkopf表示：“量子计算是一套全新信息处理范式，不管是模拟自然规律、求解复杂问题，思路都和经典计算截然不同。经典计算机发展历程中，曾经出现一个爆发节点，各界开始发掘计算机海量新用途，量子计算还没有迎来这样的时刻。”

人工智能或将助力量子技术发展。美国能源部Genesis计划融合人工智能、量子计算与超算，目标提升科研产出效率一倍。无论后续超导量子比特研究走向何方，数十年快速演进历程足够令人惊叹。Mason评价：“这项技术已经从理论构想，转变为具备落地潜力的可行路线。”

过去四十年，所有进步都建立在严谨、高精度实验之上，依靠一轮轮小幅迭代。每一项科研发现，共同拼凑出超导量子比特完整发展脉络。Black感慨：“这套系统能够成功运转本身就堪称奇迹。人类能够取得这么多进展，我由衷感到自豪。”