諾貝爾物理獎／一圖看懂40年前實驗 發現宏觀量子穿隧現象

今年諾貝爾物理學獎由克拉克（John Clarke）、德沃雷（Michel H. Devoret）和馬丁尼斯（John M. Martinis）等三位學者共同獲得。其研究「在電路中發現宏觀量子穿隧與能量量子化現象」，被視為讓量子力學從理論邁入實用，奠定了量子力學在現今世界廣泛應用的基礎。

這座諾貝爾物理學獎源於四十年前，三人在加州大學柏克萊分校的研究。中央研究院副院長周美吟表示，大約在一九八四、一九八五年，克拉克已是教授，德沃雷特是博士後研究員、馬丁尼斯則是研究生，該研究團隊在宏觀系統中，看到原本在微觀才能量測到的量子現象。

周美吟說，量子物理是在描述一個微觀的世界，通常指的是電子等很小的粒子，而在量子世界中有兩個非常重要的現象，一是「穿隧」，指的是粒子能夠穿越障礙；另一個是「量子化」，意指粒子的能階並非連續，而是一格一格的。當年，三人的研究團隊透過一系列實驗，發現這兩種量子的現象在宏觀世界中也能量測到。

陽明交通大學電子物理系教授仲崇厚進一步解釋「穿隧現象」，指超導體成對的電子對，既是粒子，也具有波動性質，其性質可以用「波函數」來描述。這三位物理學家運用約瑟夫森接面（Josephson junction）的實驗，證明在溫度極低的超導態中，波函數有一定機率穿透位能障礙，且不只發生在單一電子，宏觀下相連的波函數亦是。

穿隧效應也發展出很多應用，陽明交通大學電子研究所教授李佩雯表示，最早、最直接的應用是在醫療檢測方面。舉例來說，超導干涉儀是磁振造影（ＭＲＩ）的重要組件，可以用來量測非常微弱的磁場變化，以進行影像偵測。而量子電腦最早的啟發，也是運用超導做量子位元，三位科學家所提出的宏觀量子現象，讓ＩＢＭ在四十年前就開始所謂「超導量子電腦」的研究。