2025年10月，諾貝爾獎委員會宣布將物理學獎授予馬丁尼茲（John Martinis）、德沃雷（Michael Devoret）與克拉克（John Clarke）。這項殊榮旨在表彰他們在「巨觀量子穿隧」（Macroscopic Quantum Tunneling, MQT）與「電路能量量子化」的開拓性貢獻。

起源：柏克萊實驗室的「三明治」

這段科學傳奇始於 1980 年代的加州柏克萊大學。當時，克拉克教授帶領著博士後研究員德沃雷與博士生馬丁尼茲，共同鑽研一種極具潛力的超導體電路。電路的核心是「約瑟芬接面」（Josephson Junction）。如圖一(a)所示，其構造如同一個物理世界的「三明治」，由兩層超導體夾住一層極薄的絕緣體所組成。在當時的製程下，其接面尺寸約在 10 至 100 微米之間。

圖一 (a) 約瑟芬接面的微觀結構。該元件採用了由 鈮（Nb）與鉛銦合金（PbIn）構成的雙超導電極，兩者之間夾有一層極薄的氧化鈮（NbO） 絕緣層 (b)樣品的等效電路模型。為了精確控制接面的量子態，電路中設計了兩個關鍵電流源：I_B\ 為外加偏置電流，I_{\mu w}表示微波照射的影響。[1] 

表一：約瑟芬接面的電路性質

約瑟芬接面之所以令科學家著迷，是因為它在電路學中同時展現了電容、電阻與電感的特性，這三種特性的結合，使得約瑟芬接面能以一個如同圖一(b)等效電路來精確描述。

馬丁尼茲等人的實驗並非在一般環境下進行，而是為了捕捉極其脆弱的量子行為，將樣品環境冷卻至 0.02 K（接近絕對零度）。這種極致低溫有兩個目的：確保電極材料進入完全超導狀態。此外為了讓量子效應顯露，系統的量子能量必須遠大於環境的干擾。

約瑟芬接面的行為就像一個 RLC 共振電路。在設計上，其共振頻率 ($\omega/2\pi$) 設定在約 2 GHz。對應能量量子為 $\hbar\omega = 8.3$ 微電子伏特 ($\mu$eV)，環境熱能量 $k_B T = 1.7$ 微電子伏特 ($\mu$eV)。由於 $\hbar\omega \gg k_B T$，量子效應成功壓制熱雜訊，使得「能量量子化」可以被觀察。

超導電路中的量子能階

為了證實電路中存在量子化的共振頻率，研究團隊採取了一種類似「無線電收音機」的策略，並解決下面兩個實驗設計問題：1. 如何確定共振頻率？研究者從室溫環境導入 2 GHz 的微波照射樣品。當微波頻率精準對應到接面的能階差時，元件會產生共振並有效吸收能量。這就像將收音機調頻至正確的頻道。2. 如何偵測能量吸收？偵測的關鍵在於觀察 IV 曲線（電流-電壓關係）中的「超導電流」變化：在無微波狀態下，超導電流非常穩定，偏壓電流 ($I_B$) 即使加到接近 30 $\mu$A，電壓依然維持為零。在微波照射下，接面一旦接收到能量，產生電壓的臨界電流值會顯著降低。研究團隊透過成千上萬次的重複量測，統計出系統從「零電壓態」轉變為「有電壓態」的切換機率，並比較微波照射前後，機率增加的改变量 $\Delta P$。

馬丁尼茲的實驗得到了兩項大發現：在重複多次實驗後，發現產生電壓的電流值並非隨機分布，而是呈現固定的間隔（圖二(a)）。這強烈暗示了電路內部的能量分布就像梯子一樣，是一階一階的「量子化能階」。另外產生電壓的電流值會隨微波頻率升高而降低，符合約瑟芬效應的預測（圖二(b)）。這項實驗在當時可視為電子量測技術的巔峰。在資源尚不如現代豐沛的 1980 年代，馬丁尼茲與他的導師、同僚們，許多關鍵設備都是靠自己動腦設計、親手製作而成。

圖二(a) 固定照射微波頻率2GHz下，量子穿隧機率對偏壓電流的關係。可以發現在三個電流值，量子穿隧機率有峰值。這三個電流值對應插圖內的量子系統能量圖。 (b) 改變照射微波頻率下，量子穿隧機率對偏壓電流的關係。[1]

馬丁尼茲的實驗結果，可以透過兩大關鍵物理原理來完美解釋。不同於一般的收音機電路具有固定共振頻率，約瑟芬接面展現了極強的非線性 (Nonlinear) 特性。根據約瑟芬效應，接面的等效電感並非定值。當偏壓電流 $I_B$ 增加時，接面的物理狀態會發生變化，導致等效電感隨之改變。隨著電流增加，系統的有效電感會增大，導致 RLC 電路的共振頻率 $\omega$ 隨之降低。實驗觀察到，當調整電流使電壓出現時，該點對應的理論計算共振頻率，恰好與外加的微波頻率完全吻合。這證明了電路確實發生了共振吸收。

為什麼微波照射會讓電壓提早出現？我們可以用著名的「傾斜洗衣板模型」(Washboard Potential) 來理解。「止」的狀態 (超導態)：想像一個球被困在碗底。在微觀世界中，球代表超導體的相位參數 $\delta$。只要球待在碗裡來回震盪而不翻出，電路就不會產生電壓，維持超導狀態。外加電流 $I_B$ 會使這個「碗」傾斜。當電流愈大，碗就傾斜得愈厲害，球就愈容易滾出去。「行」的狀態 (電壓態)：一旦球滾出碗外，沿著斜坡向下滾動，這就代表相位 $\delta$ 開始持續變化。在物理上，這標誌著電壓的產生。微波就像是給了碗裡的球一股「推力」。即便碗的傾斜度 (電流) 還不足以讓球滾出，但因為微波讓球振動得更劇烈 (激發至高能階)，球便能透過量子穿隧或熱激發，在較小的電流下就提早「逃脫」碗中，產生電壓。

圖三 約瑟芬接面的物理狀態可以被完美類比為一顆在碗中運動的小球，而電路中的電流大小，則直接決定了這個碗的傾斜程度。(a)「止」的狀態：當外加電流較小時，碗的坡度平緩。小球（相位 \delta）被穩穩地束縛在碗底震盪，此時電路不產生電壓，表現出完美的超導特性。(b) 「行」的狀態：隨著電流增加，碗的傾斜度隨之劇增。一旦坡度陡峭到讓小球滾出碗緣，相位 \delta就會沿著斜坡持續滑行。這種相位的連續變化在電路中表現為電壓的產生。(c) 在古典力學的視角下，若小球的能量低於碗緣的高度（能量障壁），它就絕對無法逃脫陷阱。(d) 在量子系統中，即便小球的能量不足以「翻牆」，它仍有一定的機率透過「量子穿隧」，直接穿透能量障壁逃脫陷阱。[2]

量子世界的運行規律

在古典世界中，粒子若想逃離陷阱，唯一的途徑是獲得足夠的能量「翻牆」而出（如圖三 c）。但在量子世界中，情況變得像是一場精心佈置的「越獄」：位能阱（那只「碗」）的深度決定了能容納多少個量子態。當電流增加使碗傾斜時，碗的深度變淺，能束縛的量子態就隨之減少。馬丁尼茲觀察到電壓產生的電流值呈現「固定間隔」，這正代表隨著電流增加，內部的量子態正一個個被擠出陷阱。馬丁尼茲分析數據後證實，實驗中的電壓訊號並非來自古典的熱激發（跳出），而是精確地符合量子穿隧（Quantum Tunneling）的理論預測。

為了理解這項發現的意義，我們必須回溯到 1928 年。物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）首創性地利用量子穿隧解釋了原子核的衰變。原子核內的強交互作用形成了一道極高的能量障壁，將粒子困在其中。雖然粒子有一定的機率穿過障壁脫離，但這機率通常極低，這也解釋了為何某些元素的半衰期會長達數十億年。在過去的數十年間，科學界觀察到的穿隧現象大多屬於「微觀量子穿隧」，其對象通常是單一粒子，例如：導體表面的場發射（Field Emission）、半導體接面中的電流流動、金屬接面中單個電子的移動等。

是否有可能觀察到多個粒子同時量子穿隧？不免令人想到1962年那場最具戲劇性的辯論。這不僅是學術爭議，更是一場關於「想像力」與「權威」的較量。當年 6 月，年僅 23 歲的劍橋大學博士生約瑟芬（Brian Josephson）發表了一篇驚世駭俗的論文。他預測：由兩個電子組成的「庫柏對」（Cooper pair）能夠集體穿隧過絕緣層，產生無電阻的超導電流。這項預言隨即遭到了巨擘的反擊。提出 BCS 超導理論、當時已貴為諾貝爾獎得主的巴丁（John Bardeen）撰文反駁：絕緣層內缺乏電子與聲子的交互作用，庫柏對不可能在其中存在，穿隧的只能是單一電子。同年 9 月，雙方在第八屆國際低溫物理大會（LT8）正面交鋒。當巴丁在聽眾席上不斷質疑台上的年輕學子時，約瑟芬留下了那句在科學界傳頌至今的名言：「你計算過了嗎？沒有？但我算過了！」 (“Did you calculate it? No? I did.”) 當時的場景極其懸殊：一方是已拿過一次諾貝爾獎、即將因 BCS 理論再拿第二次的學界泰斗；另一方則是尚未畢業的學生。然而，科學的真理不看資歷。隔年，實驗證實庫柏對確實能整齊劃一地穿過絕緣層，「約瑟芬效應」從假說成為了真理。這段歷史也幽默地提醒世人：在物理界，英雄出少年，莫欺少年窮。

從「一」、「二」到「萬物」：巨觀量子現象的誕生

既然兩個粒子能同時穿隧，那麼成千上萬個粒子是否也能集體展現量子特性？1980 年，諾貝爾獎得主萊格特（Anthony Leggett）提出了深遠的思考[3]：在超流體與超導體這種「多粒子系統」中，由於量子相干性極高，數十億個粒子會產生「凝聚現象」。 它們表現得就像一支紀律嚴明的軍隊：所有庫柏對受單一「巨觀波函數」指揮。當系統受刺激時，數億個粒子會像接收到軍令般，同步旋轉相位。這種旋轉並非平滑過渡，而是從一個特定角度直接「穿隧」到另一個角度。馬丁尼茲（John Martinis）等人的研究，正是將萊格特的理論化為現實的決定性實驗。他們證實了：「巨觀量子現象」不只是數學幻象，而是真實存在的物理事實。這項突破不僅滿足了人類對「隔空取藥」（量子穿隧）的幻想，更為實現「薛丁格的貓」——即宏觀物體同時處於多種量子疊加態——鋪平了道路。這正是今日量子電腦（如超導量子位元）的核心基石。

量子電路科技的爆發

雖然「巨觀量子現象」在理論上令人興奮，但在現實中，量子特性極其脆弱。量子態通常有一個短暫的「保存期限」。在巨觀世界中，環境雜訊會導致去相干時間極度縮短，使得量子特性在日常尺度下幾乎不可觀測。要控制量子位元，系統必須展現「拉比振盪」。這意味著當我們用特定頻率的微波照射時，系統處於激發態的機率會隨時間週期性振盪。1999 年，中村泰信（Yasunobu Nakamura）和蔡兆申院士團隊利用「庫柏對盒」（Cooper-pair box）成功觀測到拉比振盪，這不僅是技術的突破，更標誌著超導量子位元時代的正式降臨。

馬丁尼茲（Martinis）等人在 1985 年發表的論文，在最初的 15 年間其實並未受到廣泛關注。[4] 然而，2001 年後，這篇論文的引用數卻呈現「爆發式成長」。這場大爆發源於 2000 年前後超導量子位元的百花齊放：除了1999 年中村泰信領銜開發的電荷量子位元（Charge Qubit），2002 年馬丁尼茲將約瑟芬接面優化為相位量子位元（Phase Qubit）。2002 年由德沃雷（Devoret）開發的混合型Quantronium位元。

2000 年後的量子電路研究，關鍵在於三大技術瓶頸的突破：早期讀取量子態的方法是直接偵測「電壓」，但這種量測會對量子系統造成巨大干擾，導致去相干時間 ($T_2$) 僅有短短的 10 ns。直到 2004 年，耶魯大學的 Schoelkopf 團隊提出電路量子電動力學 (cQED) 讀取法，讓量子位元與一個微波共振腔耦合，並將兩者的頻率拉開 1~2 GHz 以降低干擾，透過觀察共振腔的頻率偏移即可得知量子位元的狀態。隨後 Transmon 量子位元的發明，極大地降低了電荷雜訊的干擾，將去相干時間穩定提升至 1 $\mu$s 以上，目前甚至已達到毫秒量級。當去相干時間跨越門檻，配合奈米級的樣品微製造與控制微波時序（精準至 100 ns 以下），超導電路才真正展現出處理複雜量子資訊的龐大優勢。馬丁尼茲等人的諾貝爾獎榮譽，不僅是表彰 1985 年那個天才般的實驗發現，更是肯定這三位先驅在隨後四十年中，如何將一個原本看似不可能的「量子幻夢」，一步步親手打造成今日量子計算機的堅實硬體。

加入全球量子競賽，邁向 64 位元的藍圖

當全球量子科技因諾貝爾獎的肯定而沸騰時，台灣也正以驚人的速度趕上這股浪潮。2022年，政府正式啟動「量子專案計畫」，展現了進軍次世代運算的決心。這項計畫不僅是一場硬體競賽，更是全方位的戰略佈局。支持全台 17 個研究團隊，橫跨硬體研發與軟體算法。 將「建造可擴充的超導量子電腦」列為發展的核心重點。在中央研究院特聘研究員陳啟東的帶領下，台灣成功整合了國內頂尖研究資源，建立起一條完整的自主產業鏈。這不只是做出晶片，更是對整個生態系的掌握。從最上游的晶片設計、製造，到中游的封裝與低溫檢測，全部自主研發。此外也整合了其他團隊成功開發出的關鍵的參數放大器以及專為極低溫環境設計的 CMOS 晶片。台灣的研發進度如同加速運動，正逐步突破技術奇點。2024 年初團隊宣布成功開發 5 位元（5Q）量子電腦，並正式對公眾展示。這標誌著台灣具備了從零到一、構建完整量子系統的能力。2025 年底，位元數已推升至 20 位元（20Q），並將結構往二維陣列邁進。願景目標在 2027 年達成 8\ \times\ 8\ =\ 64 位元的規模，在這個由約瑟芬接面所構築的量子世界裡，刻下屬於台灣的座標。

德沃雷身為法國科學家，他從柏克萊回法後，在法國原子能署（CEA-Saclay）開創了量子電路研究，隨後於 2002 年加入耶魯大學（Yale），成為全球超導量子位元研究的核心。他持續探索各種尖端架構，包括著名的 Transmon（現代量子電腦主流位元）、Fluxonium 以及利用微波光子產生的「貓態」（Cat States）。德沃雷在 2023 年加入 Google 量子團隊，繼續推動量子容錯與錯誤糾正的前沿研究。

馬丁尼茲是一位能將深奧物理與精密工程完美結合的巨匠。2014 年加入 Google 後，他帶領團隊於 2019 年寫下歷史—使用 53 位元的 Sycamore 處理器，在 200 秒內完成了超級電腦需耗時數年才能解決的計算，正式宣告「量子優越性」的到來。離開 Google 後，他與夥伴創立了 Qolab，專注於大型量子晶片製程的革新。他目前擔任中央研究院超導量子電腦研究的顧問，協助台灣建立研發方向與技術攻堅。近期中研院更與 Qolab 合作開發高效能的「視窗式約瑟芬接面」製程，為台灣本土量子硬體實力注入強心針。

相較於馬丁尼茲與德沃雷在量子位元上的衝刺，克拉克教授則展現了超導技術在更廣闊領域的應用。他畢業於劍橋，長期深耕於柏克萊大學。他的學術影響力遍及全球，例如國立清華大學的齊正中教授即是其早期傑出學生。他利用超導量子干涉儀（SQUID）極大化了核磁共振（MRI）的解析度，更將此技術應用於尋找宇宙中的暗物質（Axion）及開發高精密掃描式顯微鏡。被譽為「超導電路教父」

從約瑟芬那句傲氣的「我算過了」，到馬丁尼茲在 Google 實現量子優越性，這是一段關於人類如何駕馭量子微觀規律，進而掌控巨觀世界的壯麗史詩。在諾貝爾獎的加持下，超導量子電腦的黃金時代，才正要開始。

圖四 (左) 2016 年克拉克教授（Prof. John Clarke）蒞臨訪問中興大學物理系及本研究室。當時圍繞在大師身旁合影的青澀學子，如今已有四位陸續取得物理學博士學位，在各自的研發領域中發光發熱。這張照片成為科學火炬代代相傳的縮影。(右) 2023 年馬丁尼茲教授（Prof. John Martinis）受邀訪問中興大學，並參與量子科學與技術（QST）研討會。訪問期間，馬丁尼茲教授與中興大學詹富智校長及多位師長展開深度對談。這張照片呈現了台灣積極連結世界、躋身全球頂尖行列的企圖心。

 

參考文獻
1.    Martinis, J.M., M.H. Devoret, and J. Clarke, Quantum Josephson junction circuits and the dawn of artificial atoms. Nature Physics, 2020. 16(3): p. 234-237.
2.    Scientific background to the Nobel Prize in Physics 2025. 2025, The Nobel Committee for Physics: https://www.nobelprize.org/uploads/2025/10/advanced-physicsprize2025.pdf.

3.    Leggett, A.J., Macroscopic Quantum Systems and the Quantum Theory of Measurement. Progress of Theoretical Physics Supplement, 1980. 69: p. 80-100.
4.    Martinis, J.M., M.H. Devoret, and J. Clarke, Energy-level quantization in the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction. Physical Review Letters, 1985. 55(15): p. 1543.