宏觀量子穿隧效應的應用
2025年諾具獎頒給John Clarke, Michel Devoret, 和John Martinis等3人，以彰顯他們在宏觀量子穿隧效應（macroscopic quantum tunneling effect）實驗的貢獻。
「宏觀」這兩個字是相對應於傳統上對量子現象瞭解的誤解。經典物理（classical physics）指的是牛頓力學（Newtonian Mechanics）可以描述的現象，一般指的是宏觀世界發生的種種現象，而量子現象，一般的解釋方法是在微觀（microscopic）世界中因為物理尺度微小、粒子個別行徑的原因，物體（特別是個別粒子）行徑帶有機率的特性。特別是微觀量子穿隧效應，此現象經常用來彰顯經典物理與量子物理的差異。
穿隧效應是指1個粒子在其行進路徑中遭遇一個位勢壁壘（potential barrier）的反應行為。在經典物理中，如果粒子的能量不足以克服位勢壁壘，則情況有如開車遇到山，只能就此折返。如果我們一定要這個電子越過此位勢，只能賦予此粒子足夠的能量，克服位勢所造成的壁壘。
在半導體元件中，這已是常用方法。譬如在FLASH中要將電子儲存於浮動閘極（floating gate）中，施加強大的垂直電壓便能將電子從通道中跨越過橫亙於通道與浮動閘極之間絕緣體所形成的位勢壁壘，這就是在FLASH中的Fowler-Nordheim tunneling。這樣的穿隧效應符合經典物理的圖像，要越過壁壘只能靠增加能量。
然而在量子世界中，能量不足的粒子即使遭遇到了位勢壁壘，仍然有機率穿越位勢到達另一端。以之前的山與車的用語為例，彷彿在山體中開了一個隧道讓汽車通行，因以為名。
微觀量子穿隧效應是量子力學（quantum mechanics）中的經典範例，普遍見於教科書中。但是接下來的問題是自上世紀量子力學發靱後經常被問起的：微觀世界的現象止於什麼尺度？或者更直接的問題：宏觀的世界也可以看見量子現象嗎？特別是量子穿隧效應。
Clarke等3位元物理諾貝爾獎得主於1984~1985間一系列的實驗工作證實在宏觀世界也可以有量子穿隧效應，而且宏觀的物理量也存在量子化的情形。
他們的實驗是利用約瑟夫森結（Josephson junction）來檢視電流的量子穿隧效應。約瑟夫森結兩側是超導體，中間隔有Al2O3的鋁基絕緣體。
超導體在臨界溫度（critical temperature）以下電子的流動是以庫柏對（Cooper pairs）的方式運動。庫柏對是一對電子之間以聲子（phonon）配對而輕微的彼此束縛，2個電子具有相反的動量和自旋。庫柏對的束縛雖然微弱，但是兩個組成電子的距離可以高達數百奈米，比現在最小電晶體通道的十幾納米大多了。庫柏對在移動時沒有電阻，這就是超導體名字的由來。
一個電子的自旋是1/2，在統計上的特性是費米子（Fermion）；而一個古柏對自旋是0，在統計上的特性是玻色子（Boson）。許多玻色子可以凝聚（condensate）於同一個基態（ground state）而形成一個宏觀量子態。
約瑟夫結的兩邊超導體之間隔有絶緣體，如果電流值在臨界電流（critical current）之下，在經典力學中一邊的電流是無法通過絶緣體流到另一邊的。
但是Clarke等3位的實驗在謹慎的排除外在干擾如熱、微波等因素後，證實在臨界電流值以下的電流仍可以量子穿隧至絕緣體的另一方，這就是宏觀的量子穿隧效應。
這個穿隧效應與以前習見的量子穿隧效應很不一樣。
量子穿隧效應的經典例子是將粒子（He的原子核，帶有2個正電荷）困於一個位勢陷阱（potential well）之中。此粒子可以用量子穿隧逃逸至陷阱之外，但是此例中的 粒子是個別粒子，而此現象是微觀量子穿隧。而Clarke等3人的實驗證實宏觀量子穿隧的真實存在。另外他們也發現此宏觀量子態具有量子化能階（quantized energy level），此點與我們熟悉的微觀世界行徑相仿—譬如氫原子的能階也是量子化的。這是觀念上的突破，是以得獎。
在應用上，宏觀量子穿隧效應大幅提升量子效應在真實世界可以被利用的可能性。在前述的實驗中，約瑟夫森結上的電流量子穿隧時會誘發瞬間電壓的變化，而電流與電壓均是宏觀的物理量，可以很容易被觀察量測，這是宏觀量子穿隧效應在應用上可能優於微觀量子效應的原因之一。
以現在最具議題性的量子計算為例，發展最迅速的的技術之一是超導量子位元（superconducting qubits），它們都使用約瑟夫森結當成量子位元的基礎架構。超導量子位元又有幾種類型，最常用的是傳輸量子位元（transmon qubit）。傳輸量子位元雖然沒有使用宏觀量子穿隧效應，卻也使用宏觀量子態的量子化能階當成量子位元的0與1。
另一種超導量子位元是相量子位元（phase qubits），此處的相是指在約瑟夫結兩邊的宏觀量子態之間的相對相位。如果把此相位當成一個虛擬粒子，此相粒子真的是靠宏觀量子穿隧效應在絕緣體的左右穿梭。
類似的應用還有耳熟能詳的超導量子干涉儀（Superconducting Quantum Interference Device；SQUID），它可以用來測量極細微的磁場，敏感至 10的10−15 T（Tesla）。超導量子干涉儀是由2個以上的約瑟芬森結環繞成圈所組成的儀器，利用通過此圈的磁通量（magnetic flux）的變化引發SQUID上電流和電壓來量測磁場大小。SQUID之所以能夠如此精確的量測磁場的原因，也是因為約瑟芬森結中宏觀量子態的能階也是量子化。
人類文明進展迄今，已經開始在觸碰物質結構的邊界，量子世界已是可以觀察、甚至可以操控的現象。宏觀量子穿隧現象給我們一個啟示，不限於宏觀量子穿隧、也不限於約瑟夫森結，只要有宏觀量子態，便有宏觀的物理變數可以用於觀測、操控此系統，而這正是我們走到奈米、埃（angstrom）尺度時出現的及時雨。
