2025年諾貝爾物理獎揭示的科研路徑
柯忠廷／致力於提升超導量子位元品質的，精進位元製作、封裝與量測特性。
陳啟東／帶領中研院團隊打造超導量子電腦，並建置量子晶片製程與測試平臺，為臺灣量子自主研發與產學合作奠定基礎。
✤ 2025 年被稱為「量子年」，全球投入熱度高漲。該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？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。2025 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。
▲圖一：2025 諾貝爾物理學獎由約翰．克拉克、米歇爾．德沃雷和約翰．馬丁尼斯獲得。圖片來源／Nobel Prize, Facebook
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
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，圖二 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。
▲圖二：（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。圖片提供／本文作者
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（圖三）。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。
▲圖三：三位得獎者在 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。圖片提供／本文作者
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。我們可以把人造原子的最底層的能階看成 | 0 〉，而第二層能階看成是 | 1 〉。靜止時量子位元（也就是人造原子）處於 | 0 〉態，當被照射微波時，它的量子態在 | 0 〉與 | 1 〉間震盪，就如立著的錢幣在正反面間旋轉。如果微波在震盪到 | 0 〉與 | 1 〉的中間時忽然停止，量子位元就保持在 | 0 〉與 | 1 〉的疊加態。要成為量子位元必須滿足三項基本要求——可區分的量子態、可被控制的雙位元相干演化（稱為糾纏），以及可讀取的位元量子態資訊。而人造原子滿足了這三項基本條件，也因此讓約瑟夫森結成為超導量子電腦的基本元件。
除此之外，要以約瑟夫森結構建一臺實用的超導量子電腦，還需要從量子位元的設計、製作、控制、讀出與系統整合等層面全面考量。
在量子晶片實作上，可將單一約瑟夫森結設為固定頻率的量子位元（固定的 | 0 〉⇌ | 1 〉能量間距），也可將兩個約瑟夫森結並聯，圍成一個方框，構成超導量子干涉元件（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID，圖二 b），做為頻率可調整的量子位元而。在量子電腦中，量子位元之間的耦合器常常就是一使用 SQUID 來扮演「開關」的角色：通過調整耦合器與相鄰位元的頻率關係，可將兩位元耦合在一起或完全切斷。儘管操作較為繁複，透過 SQUID 耦合器調整頻率是實現高性能且高速雙位元邏輯閘的關鍵元件。
至於讀取機制，超導量子位元通常與一個共平面共振腔耦合（圖二 a），透過共振腔反射或透射特性的變化推斷量子位元的量子態。此運作需要在稀釋製冷機中進行，維持約 10 mK（大約是 -273.15˚C 的極低溫）以避免熱擾動破壞量子相干。
而且為了提升系統的可擴展性與穩定性，必須採用先進的電子控制系統與低雜訊放大器來生成並讀取微波訊號，並透過封裝與濾波技術隔絕外部電磁干擾。多位元系統中，量子位元間藉頻率可調耦合器實現量子糾纏與多位元運算。
最後，實現真正可用的量子電腦不僅僅依賴硬體，也需要結合錯誤校正架構與控制軟體。藉由量子錯誤校正（Quantum Error Correction, QEC）與即時校準技術，可延長相干時間、提升運算精確度。當數百乃至數千個高相干超導量子位元能穩定協同運作時，便可實現傳統電腦難以完成的量子模擬與演算法運算，這正是超導量子電腦邁向實用化的核心目標。
未來的量子科研路徑
量子電腦至今已涵蓋數種實作平臺，包括超導量子位元（superconducting qubits）、中性原子（neutral-atom）、離子阱（ trapped-ion）等。在整體量子運算領域迅速擴張的當下，愈來愈多企業與國家投入量子科技研發，促使各平臺都獲得了顯著進展。以超導量子電腦為例，目前也已有數家領軍企業活躍於此領域，像是美國的 IBM Quantum、Google Quantum AI、Rigetti Computing 以及芬蘭的 IQM Quantum Computers 等。除此之外，還有數十家硬體、軟體及新創企業正蓬勃發展。
超導量子電腦的生態鏈也已慢慢成型，從硬體研發、晶片設計製造、控制儀器、軟體平臺到雲端服務，彼此交互滲透且相互加速。雖然超導量子電腦尚未達到大規模商用化，但有關量子錯誤校正及新型方案的研究報導正在增多。
未來，透過不同且多元的產學研機構合作，提出新的晶片設計、量測技術、控制與去雜訊策略，將成為量子科研邁向容錯量子運算的基石。即便離真正的可商用、容錯量子電腦仍有一段距離，錯誤校正與控制技術的進步正逐步降低「可用性」的門檻，對於超導量子位元平臺尤顯關鍵。而此次諾貝爾物理獎的頒布，也肯定了過去量子理論的基礎及當今在量子電腦的應用。
諾貝爾物理學獎三位得主的小檔案
克拉克長期任教於加州大學柏克萊分校，並於 1980 年代在其團隊中透過約瑟夫森結元件，觀察到「宏觀量子穿隧」現象——也就是電流或超導相位以量子方式穿越在經典理論下不可逾越的屏障，從而建立起「用電路探測宏觀量子效應」的實驗平臺。
德沃雷當時為克拉克團隊中的博士後研究員，具有堅實的理論背景。他進一步詮釋了該實驗的精神：即使是由大量自由電子組成的宏觀系統，也能展現量子穿隧與離散能級行為，突破了「只有單粒子或極微觀尺度才有量子效應」的傳統觀念。其後他主導了包括電荷量子位元（charge-qubit）、跨蒙量子位元（transmon）、磁通子量子位元（fluxonium）與量子極限放大器等重要技術，為超導量子電腦平臺奠定基礎。德沃雷現在也領導 Google Quantum AI 團隊。
馬丁尼斯當時還是博士生，便參與並完成上述開創性實驗。這些成果後來直接影響了超導量子位元的設計、製作與量測與控制。他所做的工作可視為從「物理實驗平臺」向「量子電腦平臺」的橋樑。他日後領導多項量子計算硬體研發，尤其是帶領 Google Quantum AI，於 2019 年發表了「量子霸權」（quantum supremacy）成果。
值得一提的是，馬丁尼斯曾為中央研究院量子電腦計畫的顧問，並經由工研院、國研院半導體中心的協作，以八吋晶圓製程打造高品質超導量子位元，為超導量子位元的標準、可擴充性製程立下技術根基。此外，克拉克與馬丁尼斯（圖四）曾數次造訪臺灣，對臺灣自然風景與人文文化印象深刻。
▲圖四：教授馬丁尼斯與中研院團隊的互動。當時馬丁尼斯是中研院量子計畫的顧問，與團隊每周都會固定線上討論，他也在 2024 年親自拜訪臺灣。（a）他到中研院物理所的實驗室與團隊討論量子電腦低溫線路問題。（b）他到中研院南部院區參訪。（c）他與團隊一起到花蓮太魯閣旅遊。圖片提供／本文作者
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。
延伸閱讀
1. Martinis, J. M., Devoret, M. H., & Clarke, J. (2020). Quantum Josephson junction circuits and the dawn of artificial atoms. Nature Physics, 16(3), 234–237. https://doi.org/10.1038/s41567-020-0829-5
2. Martinis, J. M., Devoret, M. H., & Clarke, J. (1985). Energy-level quantization in the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction. Physical Review Letters, 55(15), 1543. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.55.1543
3. Ke, C.-T., et al. (2025). Scaffold-assisted window junctions for superconducting qubit fabrication. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.11010
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本文轉載、修改自《科學月刊》2025 年 12 月
