量子開放學院編輯室
巨觀量子穿隧（quantum tunneling）是量子力學中一項極為反直覺的預測：粒子能穿過在古典物理中被視為不可能跨越的位能障礙。從 1926 年量子理論的發現，到 1960年代Josephson 接面的提出，接著1980 年代關鍵實驗的完成，再到今日成為量子電路與量子科技的核心元素，這段發展歷程橫跨近一個世紀。2025 年諾貝爾物理學獎正是頒給將量子穿隧現象從微觀世界成功推展到「巨觀尺度」的三位物理學家——John Clarke、Michel H. Devoret 與 John M. Martinis。
一、巨觀量子穿隧的發展歷程
1926理論起點——薛丁格方程式揭示穿隧可能
1926 年，薛丁格提出波動方程式，科學家從方程式的解中看見一項令人驚訝的結果：
粒子有可能穿越本不應被跨越的位能障礙。
這是量子穿隧首次在理論中出現，也奠定了後來所有相關研究的基礎。
1962Josephson 預言弱連接中的超電流
時間來到 1962 年，布萊恩·約瑟夫森（Brian D. Josephson）提出新預言：
即使兩塊超導體之間隔著極薄的絕緣層（稱作約瑟夫森（Josephson）接面），電子們可透過穿隧效應產生超電流，而且施加電壓時電流會出現可預測的量子振盪。
這個預言使科學家開始意識到：
量子現象可能能在比原子更大的系統中呈現。
1978Leggett 提出深刻問題——巨觀系統能否穿隧？
1978 年，安東尼·萊格特（Anthony J. Leggett）進一步提出關鍵問題：
量子穿隧是否可能發生在由大量粒子組成的「巨觀系統」？
這項提問推動了後續大規模量子系統的研究，並將問題帶向工程領域。
1985劃時代突破——首次在電路中觀察到巨觀量子穿隧
1985 年，John Clarke、Michel H. Devoret 和 John M. Martinis
在加州大學柏克萊分校完成兩項劃時代實驗，終結了長久以來的疑問：
1. 巨觀量子穿隧（Macroscopic Quantum Tunneling）被證實
研究團隊觀察到：
超導電路能從「無電壓狀態」穿隧到「有電壓狀態」，即使依照經典物理，這種跳躍完全不可能發生。
這意味著量子穿隧不再侷限於電子或原子，而是能在「由大量電子對組成的超導電路」這種巨觀系統中呈現。
2. 電路呈現能量量子化
他們也觀察到超導電路吸收能量的方式是「一份一份」的，展現明顯的量子化能階，就像「人工原子」。
這兩項成果共同證明：
量子力學的規則可以在工程尺度的電路中成立。
這正是 2025 年諾貝爾物理學獎的核心科學成就。
1985–2025量子科技快速發展的四十年
這些突破帶動全球科學與工程領域的廣泛投入，包括：
- 人工原子（artificial atoms）
- 電路量子電動力學（circuit QED）
- 超導量子位元（superconducting qubits）
- 高靈敏度量子感測器
- Google、IBM 等的量子電腦平台
這四十年間的發展，讓 1985 年的成果價值愈發凸顯，也最終促成 2025 年的諾貝爾獎肯定。
二、2025 年諾貝爾物理學獎：官方給予的評語
2025 年諾貝爾物理學獎頒給 John Clarke、Michel H. Devoret 與 John M. Martinis，以表彰他們在超導電路中完成的關鍵實驗成果。諾貝爾委員會公布的獲獎理由為：
“for the discovery of macroscopic quantum mechanical tunneling and energy quantization in an electric circuit”
（因「在電路中發現巨觀量子力學穿隧與能量量子化」。）
這段評語點出兩項核心貢獻：一是證明量子穿隧現象能在由大量電子組成的巨觀電路中發生，二是確認這類電路系統的能量行為同樣呈現離散、量子化的特性。這不僅回應了長久以來「量子力學適用範圍究竟有多大」的根本問題，也使量子現象首次在可設計、可製造、可操控的工程電路平台上被明確的展示。
因此，這項獎項不只是對三位科學家個別實驗技巧的肯定，更象徵量子力學從微觀理論成功跨入工程實作的重要里程碑，為後續超導量子電路與量子電腦的發展奠定了關鍵基礎。
三、巨觀量子穿隧為何重要？其科技影響從未如此深遠
今日多項科技的核心，都建立在巨觀量子穿隧所證實的原理之上，包括：
- 超導量子電路與 Josephson 元件（量子電腦的核心）
- 超導量子位元（superconducting qubits）
- 量子感測器與 SQUID（超高靈敏度磁場偵測）
巨觀量子穿隧使量子力學真正跨出微觀世界，成為可設計、可製造、可操控的工程技術。
巨觀量子穿隧的歷史，是一段從理論、思辨到實驗、工程的漫長旅程。
從 1926 年薛丁格的方程式，到 1985 年令人震撼的超導電路實驗，再到 2025 年獲得諾貝爾獎的肯定，量子穿隧的故事展現了科學累積的力量，也代表量子科技已正式進入工程化時代。
未來，隨著量子電腦與量子感測快速發展，巨觀量子穿隧將持續是推動科技前進的關鍵核心之一。
