2025年适逢量子力学创立一百周年，诺贝尔物理学奖也授予了在人造电路中率先发现宏观量子力学现象的三位物理学家——约翰·克拉克（John Clarke）、米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret）、约翰·马蒂尼斯（John M. Martinis）。这是诺贝尔物理学奖在继2012年与2022年后再次表彰当代量子物理前沿领域的奠基性实验工作。

01 量子物理与量子机器

在人们的通常概念中，量子力学是微观物质世界的物理理论，主要适用于描述原子、分子和亚原子基本粒子的运动规律。自上世纪以来，量子物理的科学成果衍生出了广泛而深刻的实际应用——包括精密测量、激光技术、医学成像以及基于半导体器件和集成电路的现代计算机与电子信息系统。

然而迄今为止，科学家与工程师们对量子物理许多细节规律的认识依然有限。这其中一个不容忽视的原因是——微观粒子的极小尺度为量子力学的实验与应用带来了天然的挑战。

二十世纪后期，世界各地的物理学家陆续开始在特殊实验条件下直接研究单个微观粒子（比如原子或光子）并控制、测量它们的量子力学行为。由此产生一系列重要进展开启了一个如今被称为量子工程的新兴研究领域。

量子工程的核心方法是在人造系统或环境中进行高度可控的量子物理实验，从而追求对量子力学基本规律的深入理解，并积累更具突破意义的技术发明。这中间一个备受关注的研究方向是量子信息处理，其目标在于利用量子力学原理（比如物体同一时刻能够处于不同经典状态的量子叠加、多个物体之间允许存在超越经典关联的量子纠缠等等）对信息进行编码、运算、传输、检测等操作。与传统的电子信息技术相比，量子信息系统在面对计算、模拟、加密、传感等领域的某些特定任务时会具备理论上不同程度的性能、效率或安全优势。

但是在现实中，实现这类拥有特殊信息处理功能的量子机器难度极大——它要求科学家必须掌握高度可靠、可控并同时能在复杂的人造实验环境下保持量子力学特性的物理元件；换言之，我们需要尝试挑战自然规律表面上的尺度界限，让原本属于微观世界的量子物理定律显现于宏观规模的工程系统中。