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諾貝爾物理獎頒給宏觀量子力學穿隧效應 專家：奠定超導量子電腦的基礎

發稿時間：2025年10月7日

發稿單位：台灣科技媒體中心

今（2025）年的諾貝爾物理獎，由約翰・克拉克（John Clarke)、米歇爾・H・德沃雷（Michel H. Devoret）和約翰・M・馬蒂尼斯（John M. Martinis）獲得殊榮，以表彰他們發現了電路中的宏觀量子力學穿隧和能量量子化。台灣科技媒體中心舉辦線上記者會，邀請五位物理學家解析研究的重要性。五位專家皆指出，這三位得獎者實至名歸，他們的發現奠定了量子力學在現今世界廣泛應用的基礎。

中央研究院副院長周美吟表示，這三位得獎者在1984-1985年完成得獎工作時，同是加州大學柏克萊分校的研究團隊，克拉克是指導教授、德沃雷是博士後研究員，當時的馬蒂尼斯還是研究生。他們設計出一個裝置，在巨觀世界中觀測到兩個重要的量子現象，一個是粒子可穿過障礙物，也就是量子穿隧；另一個是不連續的量子能階。在過去，這兩個微觀世界的量子現象只要放大尺寸就無法觀察到。

周美吟接著說，但是他們設計了一個電子電路的裝置，做出一系列實驗，讓這兩個量子物理現象可以在宏觀的世界中被量測到。這個裝置利用約瑟夫森接面（Josephson junction），由超導體和薄薄的不導電材料組成，透過電路看到量子現象在宏觀世界中顯現出來。過去40年間，世界上有很多的應用，如量子電腦中的超導量子位元，就是立基於這個實驗成果。

國立陽明交通大學電子物理系教授仲崇厚說明，量子穿隧效應跟量子力學的根本假設——「粒子與波動二元性」有關。由於在量子力學中物質同時具有粒子性和波動性，成對的超導電子透過波動的方式，有一定的機率穿過那個古典力學中無法穿透的牆壁（位能障礙）。在實驗中，該系統正是透過量子穿隧效應設法逃脫零電壓狀態，從而展現了它的量子特性。系統狀態的改變是透過電壓的出現來量測的。仲崇厚補充，獲獎者還證明了該系統的行為是量子化的，它只吸收或發射特定「量子化」的能量。他們的實驗是第一個在超導體量子線路中觀察到這種集體的、宏觀的量子穿隧效應，是當今建立於超導量子位元之上的量子電腦科技的基礎。

仲崇厚進一步解釋，超導體中的電子是成對的，而巨觀數量（10²³）之超導電子對的波函數在低溫超導態下全都連成一片，就是一種巨觀的「玻色子凝聚現象」。獲獎者之研究就是在巨觀系統（超導體）中觀察到，超導電子對所形成巨觀的波函數，有一定的機率以波的形式「集體」穿過能量屏障，「逃脫」零電壓狀態而成為巨觀上可觀察到的「有電壓狀態」。量子穿隧的應用有很多，如掃描穿隧式顯微鏡（STM），就是用量子穿隧原理量測原子尺度下物質表面的性質。

中央研究院物理研究所特聘研究員陳啟東表示，量子穿隧的應用以微波相關最多，如混頻器元件，可做天文觀測之檢測器，除外也可作為電壓標準。其他應用像是，並聯穿隧結構做成的干涉元件可用於監測腦波等極微弱電磁場。在台灣我們也應用這個技術來做作量子電腦裡的基礎元件，但克拉克是這個領域最早開始發展的，從德沃雷開始應用在量子電腦，馬蒂尼斯則是把它在量子電腦中的貢獻發揮到最大。

國立陽明交通大學電子研究所教授李佩雯提出更多量子穿隧應用的案例。她表示，超導量子穿隧原理最有代表性的應用之一是在醫療上的檢測，例如說核磁共振中的超導干涉儀。美國IBM更是在40年前就啟動超導量子電腦的研究，超導量子電腦是發展最早也是目前相對成熟的量子電腦技術。我們常用的半導體記憶體也是運用量子穿隧原理，直接儲存電荷，對於目前的經典電腦以及3C電子產品與行動裝置發展有很大的幫助。

中央研究院院長廖俊智指出，馬蒂尼斯與台灣的關係非常密切。馬蒂尼斯在2014年從加州大學聖塔芭芭拉分校借調到Google領導量子電腦團隊，2019年於《自然》（Nature）期刊發表十分具有代表性的研究，首次展示量子電腦的運算能力已經超越當時最強大的傳統電腦，是量子資訊科學的重要里程碑。2021年當中研院獲知馬蒂尼斯離開Google，廖俊智隨即去美國拜訪他，而他也爽快答應擔任中研院量子電腦計畫的顧問。

廖俊智表示，中研院與馬蒂尼斯合作的密切程度是每週兩次線上討論量子電腦計畫，而他時常在理論與實務上提出精闢的見解。這樣的合作，讓中研院更能積極開發量子電腦的製程，雙方想法與目標一致。廖俊智解釋，台灣主要發展嶄新的量子位元製程，而且所有工作都在台灣完成。中研院在2023年邀請馬蒂尼斯擔任「中央研究院講座」的主講人，也共同發表論文。

提到馬蒂尼斯的作學態度，廖俊智描述，馬蒂尼斯是非常直爽且有話直說的人，同時保有理性，十分注重團隊凝聚力，會與大家討論如何帶領團隊、激發向心力。周美吟也補充，馬蒂尼斯對研究的態度非常認真，是很出色的實驗物理學家，能掌握研究細節，也很有創造力，大幅推動量子電腦領域的進展，廣獲低溫物理界學者的敬重。

2025諾貝爾物理獎官方新聞稿全文翻譯：https://smctw.tw/19058/