虽然量子隧穿不会让你穿过砖墙到达九又四分之三站台搭乘霍格沃茨特快列车——粒子“隧穿”看似不可逾越的势垒——但它仍然是一种令人困惑、反直觉的现象。现在，多伦多 экспериментальные 物理学家使用铷原子研究这种效应，首次测量了这些原子穿过势垒的渡越时间。他们的研究结果于 7 月 22 日发表在《自然》杂志上。
研究人员表明，量子隧穿并非瞬时发生——至少，从一种现象的思考方式来看是这样——尽管最近的头条新闻暗示并非如此。“这是一个美丽的实验，”澳大利亚格里菲斯大学的 Igor Litvinyuk 说，他研究量子隧穿，但没有参与这次演示。“仅仅做到这一点就是一项英勇的努力。”
要理解量子隧穿有多么奇异，可以考虑一个在平地上滚动的球，它遇到一个小而圆润的小山丘。接下来会发生什么取决于球的速度。要么它会到达顶部并滚下另一侧，要么它会爬到半山腰并滑落下来，因为它没有足够的能量越过顶部。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
然而，这种情况并不适用于量子世界的粒子。即使粒子没有足够的能量越过小山丘的顶部，有时它仍然会到达另一端。“这就像粒子在山丘下挖了一条隧道，然后出现在另一侧，”该研究的合著者多伦多大学的 Aephraim Steinberg 说。
理解这种怪异现象的最佳方式是根据粒子的波函数来思考粒子，波函数是其量子状态的数学表示。波函数演化和扩散。它在任何时间和空间点的振幅让您计算出在彼时彼地找到粒子的概率——如果您进行测量。根据定义，这种概率在许多地方可以同时为非零。
如果粒子遇到能量势垒，这种遭遇会改变波函数的扩散，波函数开始在势垒内呈指数衰减。即便如此，部分波函数仍然泄漏出去，并且其振幅在势垒的远端不会变为零。因此，仍然存在检测到势垒之外粒子的有限概率，无论概率多么小。
物理学家自 20 世纪 20 年代末以来就知道了量子隧穿。如今，这种现象是隧道二极管、扫描隧道显微镜和用于量子计算的超导量子比特等设备的核心。
自从发现量子隧穿以来，实验学家们一直致力于更清楚地理解隧穿过程中究竟发生了什么。例如，1993 年，当时都在加州大学伯克利分校的 Steinberg、Paul Kwiat 和 Raymond Chiao 探测到光子隧穿光学势垒（一种特殊的玻璃，可以反射 99% 的入射光子；1% 的光子隧穿过去）。隧穿光子平均比在完全相同的距离内传播但没有势垒阻碍的光子更早到达。隧穿光子似乎比光速还快。
仔细分析表明，从数学上讲，是隧穿光子波函数的峰值（最有可能找到粒子的位置）以超光速传播。然而，不受阻碍的光子和隧穿光子的波函数前沿同时到达探测器——因此没有违反爱因斯坦的相对论。“波函数的峰值可以比光速快，而信息或能量的传播速度不会比光速快，”Steinberg 说。
去年，Litvinyuk 和他的同事发表了结果，表明当氢原子中的电子受到像势垒一样作用的外部电场限制时，它们偶尔会隧穿过去。正如理论预测的那样，随着外部场强度的振荡，隧穿电子的数量也会发生振荡。该团队确定，势垒达到最小值和最大数量的电子隧穿过去之间的时间延迟最多为 1.8 阿秒（1.8 x 10–18 秒）。即使是以大约每秒 30 万公里速度传播的光，在一阿秒内也只能传播超过十分之三米的距离，大约相当于一个原子的大小。“[时间延迟] 可能是零，也可能是几仄秒 [10–21 秒]，”Litvinyuk 说。
一些媒体报道有争议地声称，格里菲斯大学的实验表明隧穿是瞬时的。这种困惑很大程度上与隧穿时间的理论定义有关。该团队测量的延迟类型当然几乎为零，但该结果与说电子在势垒中没有花费时间是不同的。Litvinyuk 和他的同事没有检查量子隧穿的那个方面。
Steinberg 的新实验声称就是要做到这一点。他的团队测量了铷原子在隧穿势垒之前在势垒内花费的平均时间。时间约为毫秒级——远非瞬时。
Steinberg 和他的同事首先将铷原子冷却到约 1 纳开尔文，然后用激光诱导它们沿单一方向缓慢移动。然后他们用另一束激光阻挡了这条路径，形成了一个约 1.3 微米厚的光学势垒。诀窍是测量粒子在隧穿势垒时在势垒中花费了多少时间。
为了做到这一点，该团队使用复杂的激光和磁场组合构建了一个所谓的 拉莫尔时钟 的版本，以操纵原子态跃迁。原则上，会发生以下情况：想象一个自旋指向某个方向的粒子——把它想象成时钟指针。粒子遇到势垒，势垒内部有一个磁场，导致时钟指针旋转。粒子在势垒内停留的时间越长，它与磁场的相互作用就越多，指针旋转的幅度就越大。旋转的幅度是势垒内花费时间的度量。
不幸的是，如果粒子与足够强的磁场相互作用以正确编码经过的时间，它的量子态就会坍缩。这种坍缩会扰乱隧穿过程。
因此，Steinberg 的团队求助于一种称为弱测量的技术：一组相同制备的铷原子接近势垒。在势垒内部，原子遇到并几乎不与弱磁场相互作用。这种微弱的相互作用不会扰乱隧穿。但它会导致每个原子的时钟指针移动一个不可预测的量，这可以在该原子离开势垒后进行测量。取原子组时钟指针位置的平均值，您会得到一个数字，该数字可以解释为单个原子的正确值的代表——即使人们永远无法对单个原子进行这种测量。基于这种弱测量，研究人员发现他们实验中的原子在势垒内花费的时间约为 0.61 毫秒。
他们还验证了量子力学的另一个奇怪的预测：隧穿粒子的能量越低或移动速度越慢，它在势垒中花费的时间就越少。这个结果是违反直觉的，因为在我们日常对世界如何运作的概念中，速度较慢的粒子预计会在势垒中停留更长的时间。
Litvinyuk 对时钟指针旋转的测量印象深刻。“我没有看到其中的漏洞，”他说。但他仍然保持谨慎。“最终，它如何与隧穿时间相关仍然有待解释，”他说。
加州大学伯克利分校的量子物理学家 Irfan Siddiqi 对该实验的技术复杂性印象深刻。“我们现在目睹的事情非常惊人，因为我们拥有工具来测试上个世纪的所有这些哲学思考，”他说。
Litvinyuk 2019 年研究的合著者 Satya Sainadh Undurti 现在在以色列理工学院，他也同意。“拉莫尔时钟肯定是提出隧穿时间问题的正确方法，”他说。“本文中的实验装置是一种巧妙而简洁的实现方式。”
Steinberg 承认，他的团队的解释会受到一些量子物理学家的质疑，特别是那些认为弱测量本身值得怀疑的物理学家。尽管如此，他认为该实验明确地说明了隧穿时间。“如果你使用正确的定义，它并非真正瞬时。它可能非常快，”他说。“我认为这仍然是一个重要的区分。”