量子

把一只猫、一瓶毒药和一颗放射性物质开关放在黑盒子里，猫是死是活取决于放射性物质是否发生衰变的量子状态。

从约瑟夫森理论预言的超导库珀电子对隧穿（2个电子），到克拉克、德沃雷特和马丁尼斯的实验实现的宏观电流隧穿（无数个电子），超导的宏观量子效应实现了“从二到无穷大”的现实跨越，也让基于人工原子的量子计算等一系列应用展现了无限可能。

我们完全有理由相信，在未来的不久，超导的宏观量子效应带来的一系列应用会彻底改变人类世界。

结语从约瑟夫森理论预言的超导库珀电子对隧穿（2个电子），到克拉克、德沃雷特和马丁尼斯的实验实现的宏观电流隧穿（无数个电子），超导的宏观量子效应实现了“从二到无穷大”的现实跨越，也让基于人工原子的量子计算等一系列应用展现了无限可能。

超导宏观量子效应

随着超导材料体系的不断丰富、微纳加工技术的不断发展和电子学元器件的不断改进，还有许多超导的宏观量子效应有待发掘，理论上也预言了众多其他的量子效应，尚未能得到实验的验证（图15）。

换句话说，贾埃沃的实验证实了超导能隙的存在——要破坏超导电子态，必须付出足够的能量代价，所以超导作为宏观量子态在低温下是可以稳定存在的，这是BCS超导微观理论的核心基础。

最近几年，理论学家还预言了超导材料的另一种宏观量子效应——拓扑超导态。

克拉克、德沃雷特和马丁尼斯的实验正是实现了宏观电流的量子效应。

在本文最后部分，我们对超导宏观量子效应的相关应用做一个简要的介绍。

如前所述，超导的宏观量子效应表现形式有很多种，其中基于约瑟夫森效应的电子学器件广泛使用在电压基准、弱磁探测、量子计算、深空观测等领域[25]。

宏观量子效应的出现受到温度、尺度、噪声等多方面的干扰，如何优化设计实验方案才是获得成功的真谛，这也是为何该工作具有里程碑式的意义。

所以，对于超导体来说，其宏观量子效应的载体可以是“半个电子”、“一个电子”，抑或是“一对电子”（2个电子）。

所以，确切地说，2025年的诺贝尔物理学奖颁发的是电子体系宏观量子效应的实验观测，属于超导、量子力学和量子计算的交叉领域。

拓扑超导态下的马约拉纳零能模所以，对于超导体来说，其宏观量子效应的载体可以是“半个电子”、“一个电子”，抑或是“一对电子”（2个电子）。

拓扑超导态与传统的有能隙超导态有本质的区别，得以材料内部电子结构的拓扑保护，拓扑超导体在其边界的能隙范围之内，允许存在单粒子形式的准粒子激发，例如满足非阿贝尔统计的马约拉纳任意子（既不属于费米子也不属于玻色子）[15]。

由此可见，尽管理论上宏观物体也存在量子效应，但要实验上观测到直接证据，是非常困难的。

超导宏观量子效应的应用

那是否有可能无穷多个电子也能实现宏观量子效应呢？

需要说明的是，即使他们的实验观测到了宏观隧穿电流，但实际上他们的器件尺寸在10-80微米，远远小于我们熟悉的毫米-米量级的宏观尺度，而且他们实验中宏观量子效应必须在37mK以下才能实现，当温度升至100mK时，体系将恢复到经典的电流隧穿效应[24]。

激光和BEC态分别是光子和原子体系的宏观量子态除了光子、原子、分子之外，材料内部的电子也同样可以实现宏观量子效应。

磁通涡旋的存在，本质上是因为超导内部配对电子集体和外磁场之间的相互作用，而其量子化特征为超导的量子应用提供了重要载体。

超导中的宏观量子效应

超导中的宏观量子效应超导材料中最早发现的宏观量子效应是“磁通量子化”——在第二类超导体相变区域附近，足够强的外磁场可以导致磁力线进入超导体内部，而形成一个个“磁通涡旋”，磁通涡旋具有特定的空间排布，称之为“磁通格子”。

超导材料中最早发现的宏观量子效应是“磁通量子化”——在第二类超导体相变区域附近，足够强的外磁场可以导致磁力线进入超导体内部，而形成一个个“磁通涡旋”，磁通涡旋具有特定的空间排布，称之为“磁通格子”。

超导材料中的典型宏观量子效应是超导隧道效应。

超导现象是人类最早发现的宏观量子效应，对应材料内部巡游电子形成库珀电子对发生的相位相干凝聚。

除了光子、原子、分子之外，材料内部的电子也同样可以实现宏观量子效应。

从二到无穷大：超导的宏观量子效应及其应用

从二到无穷大：超导的宏观量子效应及其应用从二到无穷大：超导的宏观量子效应及其应用精选

为什么宏观体系存在量子效应？

从历史上来看，超导隧道效应的理论和实验确实要早于他们的发现，所以他们的研究既不是“0”也不是“1”，而可以算是在此前基础上发展出来的“2”。

基于量子隧穿效应的扫描隧道显微镜原理

微观粒子的宏观量子效应

微观粒子的宏观量子效应量子效应不仅仅是微观粒子的“特权”，在宏观尺度上也是可能出现的。

所以，激光可以看做是一大团相同频率的光子，也即光子的宏观量子效应[5]。

然而正是这个“2”，让宏观量子隧穿效应成为电路中易于观测和调控的对象，包括量子计算在内的一系列技术才得以迅速发展，未来充满了无穷多的可能性。

超导的宏观量子效应有什么重要特性和相关应用？

量子效应不仅仅是微观粒子的“特权”，在宏观尺度上也是可能出现的。

量子力学：少年版[M].

在量子力学看来，所有微观粒子都具有波动性，它们由特定的“波函数”来描述，它是一个复变函数，例如最简单的平面波的波函数可以写成ψ(x,t)=Aei(kx-ωt)，其中A为振幅，φ=kx-ωt为相位。

说起量子，许多人都容易联想到“薛定谔猫”——这是薛定谔在1935年《量子力学的现状》一文中提的假想实验。

拓扑量子计算的优势在于其载体是受到材料内部电子拓扑保护的，具体来说就是量子位和准粒子编织操作均是非局域的，从而不受局域扰动的影响，也就具有很强的抗干扰能力，有效避免了退相干的问题。

那么，究竟什么是量子隧穿？