约瑟夫森器件由于其在量子计算中诱人的应用前景近年来受到了人们极大的关注。它作为一个人工制备的全固态量子体系,可以看成是一种人工原子,其宏观量子态可以通过外加电流、磁场、和微波等进行任意的调控从而展示出许多新奇的量子现象。这些内容的探讨对量子力学中的基本问题和超导量子计算的研究都有着重要的意义。　　 本论文深入研究了以Nb结和Bi2Sr2CaCu2O8+δ(Bi-2212)本征结为基础的约瑟夫森器件中的宏观量子现象。在介绍了约瑟夫森器件和超导量子比特的类型、性质、制备、表征、以及3He恒温器和稀释制冷机测量系统后,详细叙述了在这些器件中获得的关于宏观量子现象的研究结果:　　 (1)通过跳变电流分布的测量,在Nb结和本征结中均观测到了宏观量子隧穿(MQT)和热激活(TA)过程,并用相应的MQT和TA理论分析和拟合了实验结果。通过引入微波场,我们在Nb结中观测到了伴有势垒压低的能级量子化(ELQ)现象,并在本征结中首次观测到了类似的结果。我们用Ustinov小组的量子理论成功地解释了这些实验结果。这表明,Bi-2212本征结中的基本物理过程与常规超导材料器件没有本质的区别。　　 (2)能级量子化现象在跳变电流分布的测量中体现为共振峰的出现。我们首次在Nb结测量中发现,随着微波功率的增加,可有第二次共振峰的出现,分析表明这分别对应量子共振和经典共振。我们引入了朗道的非线性共振理论,对经典共振-即强非线性下出现的分岔现象-给出了很好的理论解释。　　 (3)隧道结中的位相扩散是一种存在耗散时常见的有趣现象,实验上通常出现在TA温区,并有很多理论解释。在本文的研究中,我们首次在一个亚微米尺度、低临界电流密度的Nb结中观测到了MQT区域的位相扩散现象,并借助现有的理论讨论了这一重要的实验结果。　　 (4)采用冻结磁通态的测量方法,成功地在rf SQUID型磁通量子比特中观察到了宏观共振隧穿(MRT),并通过对MRT曲线的拟合,得到了该量子比特的磁通噪声。我们进一步讨论了如何应用MRT的方法来标定测量系统的噪声温度、量子比特的参数、和驰豫时间T1等,为量子比特中退相干的研究提供了一条有效的途径。