量子世界中的“穿墙术”有多快？

来源：原理

在日常生活中，如果你想穿过一面坚硬的墙，等待你的只有一个结果：碰壁。这符合我们的预期，毕竟所谓的穿墙术从来都只发生在小说中。但当我们进入到越来越小的世界中时，事情将会变得非常不一样！这是因为在微观世界中，经典的物理定律将不再适用，取而代之的是物理学中的量子力学。

试想一下，如果你把自己变成一个量子粒子，把固体墙换成量子障碍，就会发生意想不到的事情：你确实有机会穿过那看似不可逾越的障碍！这个过程被称为量子隧穿，是量子力学的主要特征之一。

但关于量子隧穿，有一个问题一直困扰着我们：一个量子粒子穿过障碍的速度可以有多快？

过去，关于这个问题的争论都只停留在理论上。但就在最近发表于《自然》杂志的一项研究中，这个问题被部分地解决了。这很重要，因为它可能是一个对那些在未来随处可见的技术都产生重大影响的科学突破。

事实上，今天的许多技术——如半导体、智能手机的LED屏幕或者激光——都是基于我们对量子世界中事物的运作方式的理解。所以我们能够学习的越多，能够发展的也就越多。

量子隧穿

当我们说量子粒子（比如电子）可以穿过障碍时，我们指的不是实体的障碍物，而是能量势垒。量子隧穿之所以可能发生，是因为电子具有波的特性。量子力学为每一个粒子都赋予了波的特性，而且波穿透障碍的概率总是有限的，就像声波穿透墙壁时那样。

量子隧穿听起来有悖于直觉，但却是许多技术的基础，例如使得科学家能够创造出原子级分辨率图像的扫描隧道显微镜。此外，核聚变以及光合作用等生物学过程中也可以自然地观察到量子隧穿现象。

虽然量子隧穿现象得到了很好的研究和应用，但物理学家对它仍然缺乏完整的理解，特别是在动力学方面。如果我们能对隧穿的动力学原理（比如用它来携带更多的信息）加以利用，那么或许能为未来的量子技术带来新的方法。

隧穿速度实验

实现这个目标的第一步是测量隧穿过程的速度。这并不容易，因为测量所涉及的时间尺度非常小。

一些物理学家已经计算过，对于尺度为十亿分之几米的能量势垒，隧穿过程需要大约几百个阿托秒（一个阿托秒是十亿分之一秒的十亿分之一，也就是10⁻¹⁸秒）。我们可以通过一个比较来体会一个阿托秒的时间：如果将一个阿托秒拉长到一秒，那么一秒就等于宇宙的年龄。

由于预测的隧穿时间是如此之短，所以之前物理学家都将隧穿过程看作是瞬时的。要测量如此短暂的时间，在实验中就需要一个能够以极高的准确度和精确度对事件进行记时的时钟。在格里菲斯大学量子动力学中心的澳大利亚阿托秒科学设施上，超快激光系统的技术进步让我们得以实现这样一个时钟。

实验中的时钟既不是机械的也不是电子的，而是超快激光脉冲的旋转电场矢量。我们知道，光不过是快速变化的电场和磁场构成的电磁辐射。于是我们使用这个快速变化的电磁场来诱导原子氢中的隧穿现象，并作为时钟来测量隧穿过程何时终止。

选择使用原子氢（仅由一个电子和一个质子结合而成）避免了其他原子会出现的复杂性，并让研究人员能够更容易地对结果进行明确地比较和诠释。

有多快？

实验测量到的隧穿时间不超过1.8阿托秒，比一些理论预测的还要小得多。这样的测量结果迫使我们需要重新思考对隧穿动力学的理解。

不同的理论计算了一系列的隧穿时间——从0到数百阿托秒不等，但究竟哪一个理论的预测是正确的，物理学家还没有达成共识。这种分歧的一个基本原因在于量子力学中具有独特的时间概念。由于量子不确定性，一个粒子进入或离开势垒的时间不可能是绝对确定的。但像这样对简单系统进行精确测量的实验可以让我们对量子时间有更精细的理解。

○过去，量子隧穿所需要的时间从未被测量过。但随着超快激光和阿托秒计量学的快速发展，使物理学家有机会进入阿托秒的领域。在氢原子这样简单的系统中，电子有一个有限的、非零的概率会隧穿到一个非束缚态。最新测量表明，这个隧穿时间不超过1.8阿托秒。| 图片来源：AASF / GRIFFITH UNIVERSITY / CENTRE FOR QUANTUM DYNAMICS

下一代技术

技术世界的量子飞跃往往根植于对基础科学的追求。未来的量子技术将融合许多量子特性，比如叠加和纠缠，这将引起技术专家所说的“第二次量子革命”。

通过充分理解最简单的氢原子隧穿事件的量子动力学，研究人员已经证明，某些类型的理论能够给出正确的答案，而其他类型的理论则不能。这让我们能够更有信心将一些理论应用于其他更复杂的系统。

阿托秒时间尺度的测量不仅为未来的量子技术增加了一个额外的维度，而且从根本上有助于我们理解量子世界中一个基本却常常被忽视的问题：时间是什么？

撰文：U. Satya Sainadh

原文标题为“We did a breakthrough ‘speed test’ in quantum tunnelling, and here’s why that’s exciting”，首发于2019年3月19日的The Conversation。原文链接：https://theconversation.com/we-did-a-breakthrough-speed-test-in-quantum-tunnelling-and-heres-why-thats-exciting-113761. 中文内容仅供参考，略有增删，一切内容以英文原版为准。