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．2025 年被稱為「量子年」，全球投入熱度高漲。今年諾貝爾物理學獎也呼應了此潮流，頒給克拉克、德沃雷與馬丁尼斯三位學者，表彰他們在電路中觀測到宏觀量子穿隧與能量量子化的突破性實驗。
．1984 ～ 1985年間，三位科學家在超導／絕緣／超導結構的約瑟夫森結中，首次觀測到「人造原子」的量子能階。他們發現大量電子在低溫下可形成宏觀量子態，並以微波偵測到能階躍遷信號，證明宏觀電路也能呈現量子行為，成為超導量子電腦的重要基礎。
．當今量子電腦已有多種實作平臺，例如超導量子位元、中性原子與離子阱等，而全球各國與企業也正積極投入。而超導體電腦也積極發展並建立生產鏈中，雖尚未商用化，但錯誤校正與控制技術進展迅速，為邁向容錯量子運算奠下基石。

量子科技（quantum science & technology） 正處於所謂的「第二次量子革命」階段――從很純粹的基礎物理研究漸漸地躍升為實際技術應用的領域，包括量子計算、量子通訊與量子感測等。看到這裡讀者你看到多少次「量子」了呢？今（ 2025）年更是被譽為「量子年」（International Year of Quantum Science and Technology），而在這樣的背景下，全球對於量子科技的關注與投入與日俱增。今年的諾貝爾物理學獎也印證了這一潮流，授予美國加州大學柏克萊分校（University of California, Berkeley）的約翰．克拉克（John Clarke）、耶魯大學（Yale University）和加州大學聖塔芭芭拉（University of California-Santa Barbara）的米歇爾．德沃雷（Michel Devoret）及加州大學聖塔芭芭拉分校的約翰．馬丁尼斯（John Martinis）三位教授，表彰他們在電路中觀察到宏觀量子穿隧（macroscopic quantum mechanical tunnelling）與電路中能量量子化（energy quantisation in an electric circuit）的實驗成果。

約翰．克拉克 John Clarke （1942 ～）
國籍｜英國
任職單位｜美國加州大學伯克利分校
研究領域｜實驗物理學、量子物理 （UC Berkeley）

米歇爾 . 德沃雷 Michel Devoret （1953 ～）
國籍｜美國
任職單位｜美國耶魯大學
研究領域｜應用物理學、量子物理
（Yale Engineering）

約翰 . 馬丁尼 John Martinis（1960 ～）
國籍｜美國
任職單位｜美國加州大學聖塔芭芭拉分校
研究領域｜量子物理
（UC Santa Barbara）

簡單來說，他們的研究突破了「量子現象只能在極微觀尺度（例如單個粒子）發生」的傳統印象，將量子穿隧及量子能階這些以往認為只在原子或電子尺度中才會出現的現象，引入到微影製作的大尺寸超導元件中展現。這不僅在基礎物理學上具有重大意義，也為當今超導量子電腦的發展立下重要根基。現在就讓我們來了解在這量子年中，三位諾貝爾獎得主的貢獻以及對於量子電腦的貢獻吧。

「巨型量子物件」的驗證實驗

（a）超導量子晶片製作在矽晶片上的全鋁製超導量子晶片，含有十字形量子位元。（b）十字形電容下端的 SQUID，SQUID由兩顆並聯的約瑟夫森結組成。（c）（ d）約瑟夫森結的電子顯微鏡相片及示意圖。（e）氧化層的穿隧電子顯微鏡相片。

在 1984～ 1985 年間，他們三位得主發表了一系列關鍵實驗論文，指出在一種尺寸大約為數十微米（µm）的超導／絕緣／超導三明治結構並稱約瑟夫森結（ Josephson junction， 圖一 c）中觀察到「人造原子」（artificial atom）的能量量子化行為。在這三明治結構的約瑟夫森結中，兩電極在室溫下為常態金屬；但當降至極低溫時，材料會變成超導體〔註 1〕，此時，部分自由電子（可能含數兆顆）會配對為庫柏電子對（Cooper pair）〔註 2〕，並凝聚成為單一的宏觀量子態，此現象被稱為宏觀量子凝聚態。當兩塊超導體之間用厚度僅 1～ 2 奈米（nm）的絕緣層隔開時，庫柏電子對的波函數可以穿隧絕緣層，此穿隧電流讓電極兩側的電子凝聚為單一宏觀量子態。值得注意的是，約瑟夫森結的電流與電壓之間並非呈現線性關係，而上面提到的穿隧電流可以用一個有效的非線性電感來模擬。而超導／絕緣／超導三明治結構本身是一個電容器，因此約瑟夫森結本身可視為一個並聯的電容器與電感器組合，呈現出非線性的振盪器，因而擁有能階離散（不等距）的特性。在約瑟夫森結中由庫柏電子對穿隧效應所產生的電流稱為超導電流 (supercurrent)，當低於臨界電流（critical current）時，約瑟夫森結兩邊超導體的凝聚態相位差是便會呈現不變的數值――也就是 0。但超過這一電流時相位差就會隨時間做震盪，進入有電壓的狀態。

〔註 1〕在特定溫度下，當導體的電阻為零時，便稱為超導體。

〔註 2〕電子之間會有微小的引力，將彼此牽引在一起，而當電子結合在一起時，便會稱為庫柏對。

但究竟該如何驗證這些能階離散的特性呢？方法其實與科學家用光譜量測氫原子能階的方法類似：當約瑟夫森結被加一個小於臨界電流的電流時，並以微波照射，就會產生量子躍遷，也就是約瑟夫森結離開零電壓的狀態，而科學家也在約瑟夫森結中觀測到電壓訊號（圖二）。這樣的結果便說明了約瑟夫森結確實具有清楚、可觀測且離散的量子能階，從而證明「大量電子凝聚而成的宏觀系統也能展現出量子現象」。而這大量電子凝聚而成的宏觀系統讓物理學家將約瑟夫森結稱為「人造原子」，這項發現不僅在科學上具有深遠意義，也為技術應用開啟大門，並為後續量子技術（例如超導量子電腦）提供了物理基礎。

三位得獎者在 1984～ 1985 年間所做的實驗，他們以約瑟夫森結驗證了庫柏電子對的波函數可以穿隧絕緣層，促成兩側超導相位的耦合，形成離散且不等距的能階。在實驗中，他們讓約瑟夫森結以最低層的三個能階 0 ⟩ 1, 1 ⟩ 2, 2 ⟩ 3都可激發出電磁波能量 hf，其中 h 是普朗克常數， f 是微波頻率， 因此觀察到超導相位跳脫位能井而產生的電壓。（Martinis, Devoret, & Clarke, 1985）

約瑟夫森結：超導量子電腦的基礎單元

在提到量子電腦之前，我們得先了解量子位元（qubit），傳統電腦中使用 0 和 1 作為位元，而量子位元使用 | 0 ⟩ 與 | 1 ⟩ 的量子態。……【更多內容請閱讀科學月刊第672期】