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泽攸科技 | 从2025年诺贝尔物理学奖看量子器件的构筑基石

发布时间：

2025-10-30

近期，瑞典皇家科学院将2025年诺贝尔物理学奖授予了三位在“宏观量子现象”领域做出开创性贡献的科学家。他们通过精巧的实验设计，成功地在人造的、宏观（相对于单个原子而言）系统中清晰地观测到了量子隧穿和能量量子化等纯粹的量子效应。这一里程碑式的成就，不仅在理论上震撼了物理学界，更重要的是，它为通往实用化量子计算和量子传感的崎岖道路，铺上了一块坚实的路基。

从一项诺贝尔奖级别的基础物理发现，到能够改变世界的技术应用，其间横亘着一条巨大而深刻的鸿沟。这条鸿沟的填补，依赖的不仅仅是理论物理学家的智慧，更考验着材料科学家、电子工程师乃至整个精密制造工业的极限能力。本文将从这一视角出发，探讨宏观量子现象的物理内涵，并阐述现代先进微纳加工与检测技术是如何成为架设这座“量子之桥”不可或缺的钢梁与铆钉。

一、宏观量子现象的物理学革命

量子力学自诞生之日起，便以其“诡异”和反直觉的特性著称。诸如一个粒子可以同时处于多个位置（叠加态），或者能够“穿墙而过”（量子隧穿），这些现象在我们的宏观日常经验中是绝无仅有的。长期以来，物理学界的普遍共识是，量子效应被牢牢地限制在原子、电子等微观粒子的“囚笼”之中。一旦系统尺度增大，与外部环境的相互作用（如热扰动、电磁场干扰等）将不可避免地导致“退相干”，使得脆弱的量子态瞬间坍缩，系统行为回归到我们所熟悉的经典物理学范畴。

图在环境光子对于标靶物体的经典散射里，平均而言，标靶物体的运动不会因为被散射光子的作用而改变。在量子散射里，被散射的光子与处于叠加态的标靶物体相互作用，因此会导致量子纠缠，将标靶物体的相位相干性退定域至整个系统．促使干涉图案消失无踪

今年的诺贝尔奖得主们，勇敢地挑战了这一定论。他们工作的核心，是设计并构建了一种特殊的物理系统——通常是基于超导电路的“人造原子”。这种系统在物理尺寸上远大于单个原子（可达微米甚至毫米量级，故称“宏观”），但通过在接近绝对零度的极低温环境下运行，并采用精密的电磁屏蔽技术，最大限度地隔绝了环境噪声的干扰。

在这样被极致“净化”的环境中，他们成功实现了两大壮举：

宏观量子隧穿: 他们观测到，被势垒（可以理解为一座能量“山丘”）隔开的超导环路中的磁通量，能够以量子的方式整体性地“穿越”势垒，从一个状态隧穿到另一个状态。这好比一个宏观的钟摆，不是通过越过最高点，而是直接“瞬移”到另一侧。
能量量子化: 他们精确地测量出，这个宏观电路系统的能量并非连续变化的，而是呈现出与原子能级类似的分立台阶，即能量量子化。这意味着整个电路作为一个整体，其行为遵循着量子力学的法则。

图这张图片描述了一个实验现象，实验开始时没有电压，就像一个被障碍物阻挡的杠杆处于关闭位置。在经典物理学中，这种状态会一直保持。但是量子力学允许电压“隧穿”过障碍物，使得电压突然出现，这种现象被称为宏观量子隧穿

图在量子力学体系里，粒子的能量并非是连续可变的。就好比你爬楼梯，不能停留在两个台阶之间的位置，而必须完整地从一个台阶迈到另一个台阶。粒子的能量也是一样，它只能处于某些特定的能级上，吸收或释放的能量也是特定的、离散的值，这就是能量的量子化现象

这项工作的革命性意义在于，它雄辩地证明了：量子力学并非微观世界的专利，只要能有效抑制退相干，量子法则完全可以适用于精心设计的人造宏观系统。这一结论，为量子计算机的基本单元——量子比特（Qubit）的设计与实现，提供了最根本的物理学背书。一个实用的量子比特，本质上就是一个能够稳定维持量子态、可被精确操控和读取的宏观量子系统。

二、构筑量子世界的工程学挑战

物理学原理的突破，仅仅是万里长征的第一步。如何将理论蓝图转化为稳定、可靠、可扩展的物理器件，是工程师们面临的巨大挑战。以目前主流的超导量子计算路线为例，其核心部件——超导量子比特（如Transmon Qubit），就是一个在硅基或蓝宝石基底上通过微纳加工技术制造出来的LC谐振电路。

图这张图片描述了一个关于超导电路的实验。实验使用了一个超导电路，这个电路被放置在一个芯片上，芯片的尺寸大约为一厘米左右。此前，隧道效应和能量量子化等现象通常是在只有少数粒子的系统中进行研究的。而在这个实验中，这些量子现象出现在了一个宏观的量子力学系统中。这个系统包含数十亿个库珀对，这些库珀对充满了芯片上的整个超导体。通过这种方式，该实验将量子力学效应从微观尺度扩展到了宏观尺度

这个电路看似简单，但其性能对制造精度有着近乎苛刻的要求。一个典型的Transmon量子比特，其核心元件“约瑟夫森结”的尺寸通常在100纳米左右，而构成谐振腔的电容电极、电感线圈等结构的尺寸、间距、边缘粗糙度，都必须在纳米级别上得到精确控制。任何微小的几何偏差，都可能导致比特的频率漂移、相干时间缩短，甚至完全失效。

图 (a) 一个约瑟夫森结通常由两个超导引线通过一个绝缘隧道势垒隔开构成。一个电流 I 可以流过该结，结两端的电压 V 可以被测量。(b) 该结的特性由其临界电流 I₀ 和电容 C 决定。电阻 R 模拟了系统中所有的耗散，并且通常是频率依赖的。为了从理论上预测MQT速率，必须对这个阻尼电阻进行表征。

这便引出了核心问题：我们如何才能在宏大的晶圆之上，如同微雕大师一般，精确地“雕刻”出这些承载着未来计算希望的微小结构？答案在于一系列高度复杂的微纳制造技术，而这正是连接基础物理与工程应用的桥梁。

三、微纳加工与检测的关键作用

量子器件的制造流程，是一个涉及多步骤、多工艺的复杂链条，其中光刻、刻蚀、薄膜沉积等环节至关重要。在这个过程中，两类工具扮演着“雕刻之手”和“精密之眼”的关键角色。

1. 雕刻之手——电子束光刻与无掩膜光刻

传统芯片制造中广泛使用的光刻技术，虽然效率高，但在面对量子器件所需的高度定制化、非周期性以及极限线宽的图形时，往往显得力不从心。此时，更为灵活和高精度的光刻技术便成为必然选择。

电子束光刻：这可以被视为纳米世界的“3D打印笔”。它利用计算机控制的、高度聚焦的电子束，像一支无形的笔一样，直接在涂覆有感光材料（抗蚀剂）的晶圆表面进行“绘画”，逐点扫描出预先设计好的量子比特电路图形。由于电子束的波长极短且易于精确偏转，EBL技术能够实现低于10纳米的图形分辨率，是制造约瑟夫森结等关键纳米结构的首选方案。像泽攸科技等公司所提供的先进电子束光刻系统，正是将物理学家的量子电路设计图转化为物理实体的核心工具，其写入场的拼接精度、电子束的稳定性直接决定了最终量子芯片的性能优劣。
无掩膜光刻：在量子器件的研发和原型验证阶段，电路设计需要频繁迭代。传统的掩膜版光刻每次修改设计都需要制作昂贵且耗时的掩膜版。无掩膜光刻技术，利用数字微镜器件（DMD）或激光直写等方式，将计算机中的图形数据直接投影到晶圆上，省去了掩膜版环节。这为量子器件的快速迭代和优化提供了极大的灵活性和成本效益。

2. 精密之眼——扫描电镜与高精度台阶仪

“雕刻”完成之后，如何确保成品与设计图分毫不差？这就需要借助“精密之眼”进行质量控制和形貌表征。

扫描电子显微镜：当加工的结构尺寸进入纳米领域，光学显微镜早已无能为力。SEM利用电子束扫描样品表面，通过探测产生的二次电子、背散射电子等信号来获取样品的高分辨率形貌图像。在量子器件制造中，工程师必须借助场发射扫描电子显微镜这样的高端设备，来检查光刻胶图形是否完整、刻蚀后的侧壁是否陡直、约瑟夫森结的连接是否可靠。这些微观图像是评估工艺成败最直观、最有效的依据。没有SEM的精确“审视”，整个制造过程就如同蒙眼绣花，质量无从保证。
台阶仪：除了二维的平面形貌，量子器件的性能同样对薄膜厚度、刻蚀深度等垂直方向的尺寸高度敏感。例如，构成超导谐振腔的金属膜厚度均匀性，直接影响比特的频率一致性。高精度台阶仪，通过一根极其灵敏的探针在样品表面进行扫描，能够以亚纳米级的垂直分辨率精确测量出表面的起伏轮廓和台阶高度。它为工程师提供了关键的Z轴尺寸数据，与SEM提供的X-Y平面信息互为补充，共同构成了量子器件三维形貌的完整“体检报告”。

从宏观量子现象的理论预言和实验证实，到量子比特的设计与优化，再到利用电子束光刻、扫描电镜等精密工具进行加工与检测，最终形成可扩展的量子计算芯片——这是一个典型的“科学发现驱动技术需求，技术进步反哺科学探索”的螺旋上升过程。

诺贝尔奖的桂冠，照亮了量子世界通往宏观的大门。而以泽攸科技等为代表的精密仪器制造商，则正在默默地铸造打开这扇大门所需的、独一无二的钥匙。对于身处这个时代的工程师和青年学子而言，理解并掌握这些前沿的制造与检测技术，不仅仅是学习一门手艺，更是获得了一张参与构筑未来量子世界的入场券。