量子世界中的“穿墻術(shù)”有多快？

在日常生活中，如果你想穿過一面堅硬的墻，等待你的只有一個結(jié)果：碰壁。這符合我們的預(yù)期，畢竟所謂的穿墻術(shù)從來都只發(fā)生在小說中。但當(dāng)我們進入到越來越小的世界中時，事情將會變得非常不一樣！這是因為在微觀世界中，經(jīng)典的物理定律將不再適用，取而代之的是物理學(xué)中的量子力學(xué)。

試想一下，如果你把自己變成一個量子粒子，把固體墻換成量子障礙，就會發(fā)生意想不到的事情：你確實有機會穿過那看似不可逾越的障礙！這個過程被稱為量子隧穿，是量子力學(xué)的主要特征之一。

但關(guān)于量子隧穿，有一個問題一直困擾著我們：一個量子粒子穿過障礙的速度可以有多快？

過去，關(guān)于這個問題的爭論都只停留在理論上。但就在最近發(fā)表于《自然》雜志的一項研究中，這個問題被部分地解決了。這很重要，因為它可能是一個對那些在未來隨處可見的技術(shù)都產(chǎn)生重大影響的科學(xué)突破。

事實上，今天的許多技術(shù)——如半導(dǎo)體、智能手機的LED屏幕或者激光——都是基于我們對量子世界中事物的運作方式的理解。所以我們能夠?qū)W習(xí)的越多，能夠發(fā)展的也就越多。

1. 量子隧穿

當(dāng)我們說量子粒子（比如電子）可以穿過障礙時，我們指的不是實體的障礙物，而是能量勢壘。量子隧穿之所以可能發(fā)生，是因為電子具有波的特性。量子力學(xué)為每一個粒子都賦予了波的特性，而且波穿透障礙的概率總是有限的，就像聲波穿透墻壁時那樣。

量子隧穿聽起來有悖于直覺，但卻是許多技術(shù)的基礎(chǔ)，例如使得科學(xué)家能夠創(chuàng)造出原子級分辨率圖像的掃描隧道顯微鏡。此外，核聚變以及光合作用等生物學(xué)過程中也可以自然地觀察到量子隧穿現(xiàn)象。

雖然量子隧穿現(xiàn)象得到了很好的研究和應(yīng)用，但物理學(xué)家對它仍然缺乏完整的理解，特別是在動力學(xué)方面。如果我們能對隧穿的動力學(xué)原理（比如用它來攜帶更多的信息）加以利用，那么或許能為未來的量子技術(shù)帶來新的方法。

2. 隧穿速度實驗

實現(xiàn)這個目標的第一步是測量隧穿過程的速度。這并不容易，因為測量所涉及的時間尺度非常小。

一些物理學(xué)家已經(jīng)計算過，對于尺度為十億分之幾米的能量勢壘，隧穿過程需要大約幾百個阿托秒（一個阿托秒是十億分之一秒的十億分之一，也就是10?1?秒）。我們可以通過一個比較來體會一個阿托秒的時間：如果將一個阿托秒拉長到一秒，那么一秒就等于宇宙的年齡。

由于預(yù)測的隧穿時間是如此之短，所以之前物理學(xué)家都將隧穿過程看作是瞬時的。要測量如此短暫的時間，在實驗中就需要一個能夠以極高的準確度和精確度對事件進行記時的時鐘。在格里菲斯大學(xué)量子動力學(xué)中心的澳大利亞阿托秒科學(xué)設(shè)施上，超快激光系統(tǒng)的技術(shù)進步讓我們得以實現(xiàn)這樣一個時鐘。

實驗中的時鐘既不是機械的也不是電子的，而是超快激光脈沖的旋轉(zhuǎn)電場矢量。我們知道，光不過是快速變化的電場和磁場構(gòu)成的電磁輻射。于是我們使用這個快速變化的電磁場來誘導(dǎo)原子氫中的隧穿現(xiàn)象，并作為時鐘來測量隧穿過程何時終止。

選擇使用原子氫（僅由一個電子和一個質(zhì)子結(jié)合而成）避免了其他原子會出現(xiàn)的復(fù)雜性，并讓研究人員能夠更容易地對結(jié)果進行明確地比較和詮釋。

3. 有多快？

實驗測量到的隧穿時間不超過1.8阿托秒，比一些理論預(yù)測的還要小得多。這樣的測量結(jié)果迫使我們需要重新思考對隧穿動力學(xué)的理解。

不同的理論計算了一系列的隧穿時間——從0到數(shù)百阿托秒不等，但究竟哪一個理論的預(yù)測是正確的，物理學(xué)家還沒有達成共識。這種分歧的一個基本原因在于量子力學(xué)中具有獨特的時間概念。由于量子不確定性，一個粒子進入或離開勢壘的時間不可能是絕對確定的。但像這樣對簡單系統(tǒng)進行精確測量的實驗可以讓我們對量子時間有更精細的理解。

○?過去，量子隧穿所需要的時間從未被測量過。但隨著超快激光和阿托秒計量學(xué)的快速發(fā)展，使物理學(xué)家有機會進入阿托秒的領(lǐng)域。在氫原子這樣簡單的系統(tǒng)中，電子有一個有限的、非零的概率會隧穿到一個非束縛態(tài)。最新測量表明，這個隧穿時間不超過1.8阿托秒。| 圖片來源：AASF / GRIFFITH UNIVERSITY / CENTRE FOR QUANTUM DYNAMICS

4. 下一代技術(shù)

技術(shù)世界的量子飛躍往往根植于對基礎(chǔ)科學(xué)的追求。未來的量子技術(shù)將融合許多量子特性，比如疊加和糾纏，這將引起技術(shù)專家所說的“第二次量子革命”。

通過充分理解最簡單的氫原子隧穿事件的量子動力學(xué)，研究人員已經(jīng)證明，某些類型的理論能夠給出正確的答案，而其他類型的理論則不能。這讓我們能夠更有信心將一些理論應(yīng)用于其他更復(fù)雜的系統(tǒng)。

阿托秒時間尺度的測量不僅為未來的量子技術(shù)增加了一個額外的維度，而且從根本上有助于我們理解量子世界中一個基本卻常常被忽視的問題：時間是什么？