量子比特的“祖父”：2025年诺贝尔物理学奖与基础研究格局变迁的深度解析

08 Oct, 2025

• 报告内容生成自Google DeepResearch

引言

2025年诺贝尔物理学奖授予了约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret）和约翰·马丁尼斯（John M. Martinis），以表彰他们在20世纪80年代的一项奠基性工作 ¹。瑞典皇家科学院的颁奖词是“表彰他们在电路中发现宏观量子力学隧穿和能量量子化” ¹。这项研究首次证明，一个由数十亿个粒子组成、可以用手握住的电子系统，其行为可以像一个巨大的、单一的量子粒子，展现出量子世界中最奇特的两种现象。这不仅在基础物理学上取得了重大突破，更重要的是，它为现代量子计算机的核心——超导量子比特（qubit）的诞生铺平了道路 ²。

然而，本次诺贝尔奖的意义远不止于对一项延迟了四十年的科学发现的追认。它更像一个完美的历史书挡，清晰地界定了量子计算从一个理论物理学家的思想实验，演变为一场价值数十亿美元的全球产业竞赛的完整历程。其中最引人注目的叙事线索是，三位获奖者中的两位——德沃雷和马丁尼斯——近年来都与Google有着密切的联系，马丁尼斯更是领导Google团队在2019年实现了“量子优越性”的著名实验 ³。

这一事实自然引出了一个深刻的问题：这是否意味着像Google这样的科技巨头已经接过了20世纪传奇“创意工厂”贝尔实验室的火炬，成为基础科学研究的新摇篮？本报告旨在深入探讨这一问题，将分为三个部分。第一部分将以通俗易懂的方式解读本次诺贝尔奖背后的科学原理，揭示其为何是量子技术领域的“创世纪”时刻。第二部分将把这项成就置于更广阔的历史和技术背景中，回顾量子力学如何催生了一系列改变世界的发明，并梳理当前量子计算、量子传感和量子通信三大前沿领域的最新进展。最后，第三部分将深入剖析Google与贝尔实验室这两种截然不同的企业研究模式，探讨在新的时代背景下，基础科学研究的组织范式、文化传承与未来走向。

第一部分：让量子世界触手可及：宏观隧穿的科学

本部分将以通俗且科学严谨的方式，阐释此次诺贝尔奖获奖工作的核心内容，重点解释科学家们发现了什么，以及为何这一发现构成了范式转移。

1.1 一场本不应发生的量子跃迁

在我们的日常经验中，世界遵循着经典物理学的规则：一个球无法穿过一座山，除非它拥有足够的能量翻越山顶 ⁴。这个世界是可预测且符合直觉的。然而，在微观尺度下，量子力学描绘了一幅截然不同的图景。在这个领域，粒子不再是确定的点，而更像是一团概率云，它们的行为充满了不确定性和反直觉的特性 ⁴。

其中最奇特的现象之一便是量子隧穿效应。它指的是一个粒子有一定概率“隧穿”一个它在经典物理学中没有足够能量克服的势垒 ¹。我们可以将其想象成一个幽灵穿墙而过，或者更准确地说，是粒子的概率波函数有微小的部分“渗透”到了墙的另一边 ⁴。这一现象在微观世界中早已被反复证实，它是原子核放射性衰变和现代晶体管工作的基础 ¹。但长久以来，人们普遍认为这只是单个微观粒子的专属特性。

这便引出了三位获奖者试图解答的核心问题：一个由数十亿个粒子组成的宏观物体——比如一个电子线路——能否作为一个整体，像一个巨大的单一粒子那样，展现出同样诡异的量子隧穿行为？ ¹ 这正是“宏观”量子现象这一概念的核心挑战。

1.2 在电路中构建一个“宏观原子”

为了在宏观世界中寻找量子效应，科学家们需要一个特殊的系统，其中数十亿个粒子能够协同一致地行动，形成一个单一的、连贯的量子态。他们找到了完美的候选者：超导电路。

超导基础

当某些材料被冷却到极低温度时，它们的电阻会完全消失，进入超导状态。在这种状态下，电子两两配对形成“库珀对”（Cooper pairs），这些库珀对的行为像玻色子一样，能够凝聚到同一个最低的量子基态，形成一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚体的宏观量子态 ⁵。正是这种集体量子行为，为构建一个“宏观”量子物体提供了可能。

核心器件：约瑟夫森结

实验的核心是一个被称为约瑟夫森结的微小器件，它由两层超导体和夹在中间的一层极薄的绝缘体构成 ⁶。早在1962年，布莱恩·约瑟夫森（Brian Josephson）就从理论上预言，库珀对可以无损地“隧穿”这层绝缘障碍，这一发现为他赢得了1973年的诺贝尔物理学奖 ⁷。对于克拉克、德沃雷和马丁尼斯而言，约瑟夫森结的作用远不止于此。它在电路中扮演了一个非线性的角色，为整个电路的集体量子态（物理上表现为两端超导体的相位差δ）创造了一个势能“陷阱”，其行为方式与原子核束缚电子的势阱非常相似。换言之，这个结使得整个电路表现得像一个“人造原子” ⁵。

实验装置

在加州大学伯克利分校，由克拉克领导，当时还是研究生的马丁尼斯和博士后德沃雷参与的团队，精心设计并构建了一个包含约瑟夫森结的超导电路 ¹。这个芯片的尺寸大约为一厘米，但其内部的集体量子态却由数十亿个库珀对共同构成 ⁷。他们面临的最大挑战是如何将这个极其脆弱的量子系统与外界环境的任何噪声和干扰隔离开来，因为哪怕是最微小的热扰动或电磁波，都足以摧毁这个宏观量子态 ⁷。

1.3 观测不可能：诺贝尔奖的获奖实验

通过精密的控制和测量，该团队在1984至1985年间成功地观测到了两个决定性的量子现象，彻底改变了我们对宏观世界量子行为的理解 ¹。

1. 第一个发现：能量量子化

   团队首先向他们的电路发射微波。在经典世界里，一个系统可以吸收任意数量的能量。但他们发现，这个宏观电路只在特定的、离散的频率下才会吸收微波能量，并从一个能级“跃迁”到另一个更高的能级 ⁶。这无可辩驳地证明了，这个由数十亿粒子构成的宏观系统，其能量状态并非连续的，而是像原子中的电子能级一样，是量子化的——就像一个梯子，你只能站在梯级的特定高度上，而不能停留在两级之间 ¹。这个电路，作为一个整体，表现得像一个真正的量子物体。

2. 第二个发现：宏观量子隧穿 (MQT)

   接下来是实验的高潮部分。团队测量了电路的量子态从其势能陷阱中“逃逸”出来的速率。根据经典物理学，只有当系统获得足够能量“翻越”势垒时，逃逸才会发生。然而，他们观测到，即使在接近绝对零度的极低温度下，系统状态依然能够逃逸出来，其速率与量子力学预言的“隧穿”速率完全吻合 ¹。这证实了由数十亿库珀对构成的集体量子态作为一个整体，协同一致地隧穿了能量壁垒 ⁷。

1.4 超导量子比特的诞生

这两项发现的意义是革命性的，它直接催生了现代量子计算的基础。

“量子比特的祖父”

实验中清晰观测到的两个分立的量子化能级（基态和激发态），正是量子信息的基本单位——量子比特（qubit）的物理实现 ²。而系统在这些能级之间隧穿的能力，则体现了量子叠加态的本质。正如加州大学伯克利分校物理系主任Irfan Siddiqi所言，这项工作是“所有量子比特的源头”，是“量子比特的祖父” ²。

从“宏观原子核”到量子计算机

获奖者们在当时的论文中，已经富有远见地将他们的系统类比为“带导线的宏观原子核”，并预见到了构建更复杂量子系统的可能性 ¹。他们的工作为后来的超导量子比特（如马丁尼斯本人后来在Google开发的transmon和xmon量子比特）奠定了概念和实验基础 ²。这项研究证明了，普通的电子线路可以通过工程设计，使其表现为一个连贯的、可控的量子系统，从而为构建可扩展的量子信息处理器打开了大门。

这项研究工作还体现了基础科学与应用技术之间奇妙的共生关系。约翰·克拉克不仅是宏观量子隧穿领域的先驱，同时也是超导量子干涉仪（SQUID）领域的权威专家 ¹。SQUID是一种利用量子效应进行超高精度磁场测量的传感器。这一看似独立的领域却为量子计算的实现提供了关键工具。为了探测宇宙中假想的暗物质粒子——轴子，克拉克开发了一种基于SQUID的超低噪声量子放大器 ¹。这项为基础物理探索（寻找暗物质）而设计的技术，恰好完美地解决了量子计算中的一个核心工程难题：如何精确地读出量子比特的微弱信号，而不引入额外的噪声将其破坏。因此，克拉克的一项基础研究（宏观量子隧穿）催生了量子比特的概念 ²，而他的另一项应用研究（SQUID放大器）则为实现和操控这些量子比特提供了不可或缺的工具 ¹。这个过程清晰地表明，基础科学的突破往往会为应用技术创造新的需求和可能性，而应用技术的发展又反过来为基础科学的探索提供了更强大的工具，形成了一个良性循环。

第二部分：量子革命：从理论到变革性技术

2025年的诺贝尔奖并非孤立事件，而是长达一个世纪的量子革命中的一个重要里程碑。本部分将回顾量子力学如何成为技术创新的强大引擎，并概述当前量子技术的前沿进展。

2.1 诺贝尔奖的传承：作为发明引擎的量子力学

量子力学不仅是一个解释微观世界的理论框架，更是过去一百年里最强大的技术创新引擎。从根本上说，我们今天所处的数字时代，就是建立在对材料量子特性的深刻理解之上。2025年的物理学奖延续了这一悠久传统，即表彰那些将深奥的量子原理转化为改变世界的技术的科学家们 ³。以下表格系统地展示了这一传承脉络。

表格1：源于量子力学的诺贝尔奖获奖发明

2.2 2025年的前沿图景：三大战线概览

截至2025年，量子技术正在三个主要战线上以前所未有的速度发展，每一个领域都充满了机遇与挑战。

2.2.1 量子计算：通往容错的竞赛

• 超越“优越性”：2019年Google的“量子优越性”实验 ¹¹ 标志着一个时代的到来，它证明了量子计算机在执行特定（尽管是精心设计的）任务上可以超越最强大的经典超级计算机。然而，这只是一个概念验证。当前整个领域的目标已经转向实现“量子优势”，即在解决具有实际价值的科学或商业问题上，展现出超越经典计算机的能力 ¹²。
• 量子比特的多样性：实现量子计算的物理路径不止一条。目前，几种主流技术路线并驾齐驱，包括Google和IBM主导的超导量子比特 ¹³，IonQ等公司研究的囚禁离子量子比特 ¹⁴，英特尔专注的硅自旋量子比特 ¹⁵，以及微软押注的、具有内禀纠错能力的拓扑量子比特 ¹⁵。
• 最大的挑战：量子纠错 (QEC)：这是通往实用量子计算道路上最大的障碍。量子比特极其脆弱，容易受到环境噪声的干扰而失去信息（即“退相干”）。量子纠错的思路是通过信息冗余来对抗错误，即用多个“物理量子比特”来编码一个更稳定、更可靠的“逻辑量子比特” ¹⁵。然而，这种方法的开销极大，可能需要数百甚至数千个物理比特才能构建一个逻辑比特。各大公司正在探索不同的纠错方案：Google专注于表面码 ¹⁵，IBM开发了重六边形晶格结构以优化纠错效率 ¹⁵，而微软则希望通过拓扑量子比特从硬件层面根本性地解决问题。行业普遍认为，2027年到2029年将是量子纠错技术初步集成的关键时期 ¹⁶。
• 最新突破：尽管挑战巨大，前沿研究仍在不断涌现。例如，科学家们已经能够构建并控制包含超过6000个中性原子的量子阵列 ¹⁷，而Google则展示了利用其量子处理器进行生成式机器学习的新算法，为量子优势开辟了新路径 ¹⁸。

2.2.2 量子传感：测量不可测量之物

• 化劣为优：对于量子计算而言，量子态对环境的极端敏感性是一个致命弱点（退相干）。然而，在量子传感领域，这恰恰成为了最大的优点。通过精确测量量子系统如何因外界微小扰动而改变，科学家们可以实现远超经典传感器极限的测量精度。
• 2025年的应用实例：
  • 地球物理与矿产勘探：基于SQUID的超高灵敏度磁力计已经被用于航空地球物理勘探。澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）利用该技术，已成功发现了价值数十亿美元的矿藏 ¹⁹。这与约翰·克拉克的早期工作形成了有趣的呼应。
  • 医疗诊断：基于量子磁力计的心磁图（MCG）技术，能够无创地绘制出心脏活动产生的微弱磁场，为心脏疾病的诊断提供了全新的维度。像博世（Bosch）这样的公司正在展示其原型机 ²⁰。
  • 导航与授时：量子陀螺仪和新一代原子钟的发展，有望实现不依赖全球定位系统（GPS）的超高精度导航和授时，这对于国防安全、自动驾驶和深空探索至关重要 ²¹。
  • 通信：里德堡原子传感器能够以极高的灵敏度探测射频信号，有望在下一代通信技术中发挥作用 ²¹。

2.2.3 量子通信：无法破解的互联网

• 绝对安全的承诺：量子通信的核心技术是量子密钥分发（QKD）。它利用了量子力学的基本原理，如“不可克隆定理”（无法完美复制一个未知的量子态），来确保通信密钥的绝对安全。任何窃听行为都会不可避免地扰动量子态，从而被通信双方立即发现。
• 距离的挑战：目前的主要障碍是如何在现有的光纤网络中长距离地传输脆弱的量子信号，因为光纤的损耗和环境的干扰会严重破坏量子态。
• 最新进展：为了构建真正的“量子互联网”，科学家们正在取得重要突破。2025年的一项关键进展是开发出新型的分子量子比特。这些包含稀土元素铒（Erbium）的分子，其光学特性恰好与标准电信光纤的工作波长兼容，并且可以与成熟的硅光子技术集成 ²²。这意味着，未来的量子网络或许可以直接嫁接到我们今天已经铺设好的庞大光纤基础设施之上，从而大大加速量子互联网的实现。

整个量子计算行业目前正处于一个关键的转型期，即从“含噪声中等规模量子”（NISQ）时代迈向“容错量子计算”（FTQC）时代 ¹⁶。2019年的“量子优越性”实验可以被视为NISQ时代的顶峰，它证明了量子计算机在特定任务上的计算潜力 ¹³。然而，这些设备的“含噪声”特性使其无法可靠地运行大多数有价值的复杂算法。因此，克服噪声、实现纠错成为了整个行业的共识和首要任务 ¹⁶。从IBM、IQM到牛津量子电路公司（OQC）的路线图都明确指出，2020年代末（大约2027-2029年）将是集成量子纠错、实现初步容错计算的关键节点 ¹⁶。这个转型过程需要解决巨大的科学和工程挑战，包括提升量子比特质量、开发复杂的控制电子学以及设计高效的纠错算法 ¹⁵。因此，2020年代中期的量子计算领域，其核心叙事就是这场高风险、高投入的“跨越纠错鸿沟”的竞赛。能否成功驾驭这一转型，将直接决定哪些公司能够引领下一个十年的计算革命。而2025年的诺贝尔奖，通过表彰创造了物理量子比特的奠基性工作，恰好突显了这场宏大产业斗争的根基所在。

第三部分：创意工厂的重塑：从贝尔实验室到Google的研究生态

本次诺贝尔奖的归属，特别是与Google的联系，为我们提供了一个绝佳的契机，来审视和比较企业研究模式的演变。

3.1 Google的“异常”：来自广告巨头的诺贝尔奖

德沃雷和马丁尼斯这两位获奖者与Google的关联，是本次诺奖故事中最具现代色彩的一笔 ³。尤其是马丁尼斯，他曾是Google量子硬件团队的灵魂人物，领导团队实现了历史性的“量子优越性” ¹¹。这自然引发了一个核心问题：这是否标志着Google已经成为贝尔实验室的现代继承者，一个能够孕育诺贝尔奖级别基础科学的殿堂？或者，它代表了一种本质上完全不同的工业研究新模式？ ²³

3.2 科技巨头的大脑解剖：Google的研究结构

要回答这个问题，首先需要理解Google的研究机构并非一个单一的“实验室”，而是一个由多个相互关联但又各具特色的实体组成的复杂生态系统。

• Google Research：这是一个广泛的组织，旗下拥有众多团队，如安全、隐私与滥用研究团队 ²⁴ 和曾经的Google Brain团队 ²⁵。这些团队的研究课题通常与Google的核心产品和基础设施紧密相关，旨在解决现实世界中的大规模工程挑战。同时，它通过设立研究奖和博士生奖学金等方式，积极与学术界保持合作 ²⁶。
• Google DeepMind：在与Google Brain合并后，DeepMind成为了Google在人工智能领域的旗舰研究机构。其使命宏大——“解决智能”，并最终实现通用人工智能（AGI） ²⁷。它的研究范围极广，既包括能够解决“50年科学难题”的基础科学探索（如预测蛋白质结构的AlphaFold） ²⁷，也涵盖了能够直接提升Google产品性能的应用研究（如优化数据中心能效、改善Google助手的语音合成） ²⁷。
• Google Quantum AI Lab：这是一个高度专业化、目标驱动型团队，其唯一且明确的目标就是“构建一台通用量子计算机” ²⁸。其研究领域高度聚焦于实现这一目标所必需的各个组成部分：超导处理器、量子比特计量学、量子模拟算法等 ²⁸。

综合来看，Google的研究模式是一种混合体。它支持长期的、雄心勃勃的“登月计划”（如AGI和量子计算），但这些计划的最终合理性，在于它们有潜力确保Google在未来计算和数据领域的持续主导地位，从而巩固其核心的广告业务 ²⁹。其文化常被描述为快速迭代、产品导向，有时也因战略调整而缺乏对非核心项目的长期承诺 ³⁰。2011年，时任CEO拉里·佩奇关闭了旨在鼓励自由探索的Google Labs，要求“将更多精力投入到更少的项目上”，这正是其战略聚焦的典型体现 ²⁹。

3.3 垄断企业的“皇冠明珠”：贝尔实验室模式

贝尔实验室的黄金时代是在一个截然不同的历史背景下铸就的。

• 历史背景：贝尔实验室是美国电话电报公司（AT&T）的研发部门。在20世纪的大部分时间里，AT&T是受到政府许可的国家电信垄断企业 ³¹。
• 资金与使命：实验室的资金来源于对全国电话服务征收的一种稳定、可预测的“研发税”，这使其完全免受短期市场波动的压力 ³²。它的使命是解决任何能够改进通信网络的问题，无论这个问题多么基础、多么遥远。这使得实验室能够进行长达数十年的、不计短期回报的基础科学投资，深入到材料科学、数学和物理学的最前沿 ³¹。
• 探索文化：这种独特的环境孕育了一种鼓励跨学科合作和“蓝天研究”的文化。科学家们被赋予极大的自由度去追随自己的好奇心 ³³。据说，其实验室的建筑设计都经过精心考量，旨在通过长长的走廊增加不同领域专家之间“偶然相遇”的机会，以激发创新的火花 ³³。
• 辉煌成就：在这种模式下，贝尔实验室产出了一系列改变世界的发明，除了表格中提到的诺奖成果外，还包括射电天文学、光伏电池、CCD图像传感器、信息论、UNIX操作系统和C语言等 ³⁴。
• 模式的终结：贝尔实验室的黄金时代终结于1982年。当时，美国政府针对AT&T的反垄断诉讼导致公司被分拆，其垄断地位不复存在。这从根本上摧毁了实验室独特的资金模式，迫使其转向更具应用性、更短期的研究项目 ³¹。如今，它作为诺基亚的一部分（Nokia Bell Labs）继续存在，但其使命和规模已不可同日而语 ³¹。

3.4 两种模式的故事：比较分析

为了更清晰地揭示两种模式的本质区别，下表从多个维度进行了系统性对比。

表格2：研究模式比较分析：贝尔实验室 vs. Google

两种研究模式之间的根本差异，并非源于人才或雄心的不同，而是其所处的经济环境。贝尔实验室的整个组织结构和文化，是其作为受规制的垄断企业这一独特地位的直接产物，这种地位使其能够奢侈地拥有耐心且由好奇心驱动的资本 ³²。这消除了对短期投资回报的压力，从而允许了一种以基础发现为首要目标的学术自由文化 ³³。相比之下，Google的资金虽然庞大，但其来源的业务面临着持续的威胁（反垄断调查、新技术冲击、用户行为变化） ²⁹。这种竞争压力迫使其研究活动，即便是最大胆的项目，也必须在战略上与捍卫或扩大其数据和计算这一核心业务保持一致 ²⁹。因此，如果不承认这一根本性的经济差异，就无法对两者进行有意义的比较。Google并非在“成为贝尔实验室”这件事上失败了，而是在成为一个为竞争而非垄断环境而优化的、完全不同的实体这件事上取得了成功。

结论：基础研究的未来

2025年的诺贝尔物理学奖，既是对一个旧研究时代伟大发现的致敬，也是对一个由企业主导的新技术时代的加冕。它清晰地告诉我们，基础科学的种子可能在几十年前就已播下，但其开花结果却越来越多地发生在今天的企业实验室中。

综合本报告的分析，我们可以得出一个明确的结论：Google不是新的贝尔实验室。它代表了21世纪工业研究的典范模式——更专注、更具战略性、与产品开发更紧密地结合。但同时，它也可能缺乏贝尔实验室黄金时代所特有的那种耐心，以及资助那些与核心业务毫无明显关联的、真正自由的基础科学探索的意愿。

将诺贝尔奖授予如今在Google工作的科学家，无疑是对现代企业实验室所能达到的科学高度的认可。然而，这也提出了一个关于范式转移式研究未来的关键问题。如果下一个“晶体管”或“激光”级别的发现，需要数十年没有明确盈利路径的持续投资，那么在今天这个竞争激烈、财务回报驱动的全球生态系统中，这样的发现将诞生于何处？

未来可能在于一种混合模式。像Google这样的企业实验室将继续在工程和应用科学的前沿推动人类知识的边界，特别是在那些需要巨大计算和数据资源支持的领域。与此同时，为了探索真正未知的领域，我们可能需要重新加强对公共机构和大学基础研究的承诺与投入，因为那里才是能够容忍最长期的不确定性、孕育最根本性突破的土壤。2025年的诺贝尔奖不仅照亮了过去，也为我们思考未来指明了方向。

参考文献