與AI和量子電腦產業直接連動　諾貝爾物理學獎今年頒發的研究領域是什麼？

2025年諾貝爾物理學獎，由三位研究量子力學穿隧效應（Quantum tunneling effect）的加州大學學者共同獲得。穿隧效應是量子力學一百年多前開始建立時，科學家所發現的諸多反直覺現象之一，也曾一度是進入奈米製程時，晶片製造工程師必須克服的頭痛問題。如今，新的晶片製造技術不但反過來利用了穿隧效應，這個現象更是成為當今開發量子電腦的基石。

於是，就像去年諾貝爾物理學獎頒發給當今最火紅的人工智慧（AI）領域教父手中，今年的諾貝爾獎得主，毫不意外與當前科技巨頭的量子電腦以及AI研究，有最直接的產業鏈結。

得獎者之一的加州大學聖塔芭芭拉分校教授馬丁尼斯（John M. Martinis），直到2020年都是Google量子人工智慧實驗室（Quantum Artificial Intelligence Lab）的主管。2019年，當Google這個團隊宣布實現「量子霸權」的突破性研究時，馬丁尼斯就是其中的一員。

而另一位得獎者，同樣是加州大學聖塔芭芭拉分校教授的德沃雷（Michel H. Devoret），目前正是Google量子AI計畫（ Google Quantum AI）的首席科學家。

穿隧效應是什麼？

諾貝爾委員會與一般的科普文章都用「網球」來說明穿隧效應。當我們把一顆網球打向牆壁時，我們會預期網球不會穿牆而過，而是會碰上障壁回彈。這是量子物理出現之前，古典的物理學狀況。

但是當「網球」是極度微小到粒子程度時，「牆壁」就無法百分百擋住。科學家在百多年前就發現一些物質的原子核，居然可以一點一點「洩漏」到壁障之外，這種狀況就是我們所熟知的放射性元素「半衰期」：當原子核的成分洩漏跑掉，它就「衰變」成別的物質；當有一半的物質衰變，所需的時間就是半衰期。

晶片進入奈米製程之敵

穿隧效應的發生沒有絕對的會或不會，而是機率。當這顆「網球」是由億萬個微小粒子組成，穿牆而過的機率就無限趨近於零；但是當它小到只有一個或者一兩個粒子，穿牆的機率就變得非常高。

對於我們所熟知的電腦晶片來說，穿隧效應在製程愈來愈小、線路愈來愈接近粒子的大小時，問題就變得愈來愈嚴重。當製程開始進展到7奈米、5奈米之時，原本在電路中可以乖乖被矽晶隔絕的電子，就開始出現很大的機率「穿牆」，這等於線路會有很高的機率「漏電」，這是當年製程工程師的噩夢。

但反過來，當電子可以很容易「穿牆」時，也意味著可以用更小的能量來促成移動。傳統電腦晶片的設計邏輯就是一連串的電路「開關」，即二進位的零與一。原本要把開關從「零」扳成「一」，需要一定的能量，如果能利用穿隧效應，那就可以用更低的能量達成「開關」的動作。

當微觀的量子力學現象，變成可以拿在人手上的裝置

今年諾獎得主馬丁尼斯、德沃雷以及同為加州大學系統教授的克拉克（John Clarke），三人在1984到1985年間於加州大學柏克萊分校成功進行的開創性實驗，就是把原本以為只能在顯微鏡都看不到的微觀層面才能觀測的穿隧效應，直接放大成從人手能夠握持裝置就能觀測的現象。

這個實驗裝置利用了超導體。在超導體的狀態下，一對對的電子可以「手牽手」變成像是單一的粒子活動。所以，原本單一粒子才容易觀測到的的穿隧效應，利用超導體的特性，把巨大（相對於粒子）的裝置變成像是「單一」的粒子，就能實現穿隧效應。

他們設計的超導體實驗晶片是長寬約1公分的大小，施加電力後，可以觀測到明確的量子穿隧效應。

這樣「巨大」的量子穿隧效應系統，就被稱為「宏觀」量子穿隧系統。這種使用超導體製作的量子電路，變成今日量子電腦設計的基石。

量子位元的時代

超導體量子電路用來製作量子電腦的基本單元量子位元（qubit）。現今由Google和IBM等公司所製造，世界最強大的量子電腦，使用的機器就包含了數百個超導體電路的量子位元。Google最新發表的Willow量子AI晶片，含有105個量子位元。

如果沒有馬丁尼斯、德沃雷與克拉克40年前精心設計出的「巨型」量子電路，那科學家要設計製作出量子電腦，可能還得先設法使用大小僅約數千分之一奈米的粒子材料，製作出量子位元的電路開關。那量子電腦的誕生將被進一步推遲到更遙遠的未來。

有了量子電腦，未來AI的發展將更能飛躍性地增長。目前耗電量龐大、廢熱極高的AI晶片，變成量子電路製作的量子電腦晶片，將可用更微小的能源驅動更強大的運算能力。量子電腦的發展因此也和AＩ的未來密不可分。

克拉克週二在獲得諾貝爾委員會通知獲獎時，表示他們在1985年成功設計演示了宏觀量子電路時，完全想不到會變成今日這些量子電腦、AI技術的基石。他們當年的重點的確只是想展示能在「巨型」的裝置上，展示出微觀世界的量子力學現象而已。但科學也都是以這樣的道路前進：一個能夠證實理論的實驗，往往就是未來先進技術的突破。