鄭原忠 | 臺灣大學化學系教授
在傳統的物理觀念中，量子力學主要描述原子與電子等微觀系統的行為，而巨觀尺度的物體則遵循古典力學規則。然而，2025 年諾貝爾物理學獎的研究成果證實，透過特定的電路設計，量子效應也能在肉眼可見的尺度下發生。
約瑟夫森接面的構造與物理機制
約瑟夫森接面（Josephson junction） 是實驗的核心結構。其組成方式是在兩個超導體之間，夾入一層極薄的絕緣體（非導體）。
在超導狀態下，電子會形成庫柏電子對。當中間的絕緣層厚度縮減至奈米等級時，超導體中的電子對會透過量子穿隧（Quantum tunneling）現象，在兩個超導體之間移動。這意味著即便絕緣體在古典物理中是不導電的障礙，電子對仍具有一定的機率通過該區域。
巨觀尺度的集體行為
這項現象的特殊之處在於其「巨觀性」。在約瑟夫森接面中，並非僅有單一電子對發生穿隧，而是大量的電子對同步行動，造成顯著的電流變化。
由於超導體具有零電阻的特性，這些穿隧過後的電子對會在接面兩側產生電荷分佈的改變，產生電位差進而形成在絕緣層兩端來回流動的穩定震盪電流。這種電流變化量足以直接被一般的電子量測設備觀測到，而不侷限於微觀探測，因此稱為巨觀電路電流。
量子能階與實驗證實
實驗進一步證實，這種巨觀電路電流的震盪行為並非連續變化的，而是呈現量子化的特徵。研究發現該系統具有特定的震盪頻率，且其能量狀態呈現離散的能階（Energy levels）變化。
這項發現證明了：整個由大量電子組成的電路系統，其物理表現與單一電子相似的穿隧效應行為。這種在巨觀系統中觀察到的量子特性，被定義為「巨觀量子穿隧」。
量子電腦的物理基礎
這項物理發現是現代量子科技發展的重要基石。目前 Google 與 IBM 等機構正在積極的開發量子電腦，他們所採用的超導量子位元（Superconducting qubit），其核心物理機制便是建立在 John Clarke、Michel H. Devoret 與 John M. Martinis 三位科學家的研究成果之上。
2025 年諾貝爾物理學獎正式頒發給這三位物理學家，表彰他們透過實驗證實了巨觀量子穿隧與能量量子化現象。這項貢獻成功將量子力學的應用範疇從微觀粒子擴展至可設計、可製作的巨觀電路系統 。特別值得一提的是，得主之一的 John M. Martinis 不僅在理論與早期實驗上有卓越貢獻，更是後來Google研發量子電腦的重要推手。
資料來源
- Nobel Prize in Physics 2025
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/summary/ - Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.55.1543
