每 100 亿次碰撞仅发生一次，科学家首次观察到量子隧穿效应

IT之家 3 月 2 日消息，在经典物理世界中，从一座大山的这边穿到那边，只能消耗体力翻山越岭。但在量子物理世界里，有一种“穿墙术”存在，这就是量子隧穿效应。

奥地利因斯布鲁克大学物理学家首次在实验中观察到了这种效应，这是有史以来观察到的最慢的带电粒子反应。据称，这种量子事件每 100 亿次发生一次。

化学中的隧穿反应是很难预测的。用量子力学精确地描述三个以上粒子的化学反应是困难的，而对四个以上粒子的化学反应几乎是不可能的。理论学家可以用经典物理学模拟这些反应，但他们必须忽略量子效应。但是，这种只能提供近似值的经典化学反应描述的极限在哪里?

该校离子物理与应用物理系的 Roland Wester 教授长期以来一直在尝试探索这一前沿领域。这位实验物理学家表示：“它需要一次实验，可以进行非常精确的测量，并且仍然可以用量子力学来描述。” “15 年前，我在美国的一次会议上与一位同事交谈时想到了这个想法”，他想在一个非常简单的反应中追踪量子隧穿效应。

经过 15 年的研究，他终于取得了重要突破。相关论文已于当地时间 3 月 1 日发表在最新一期《Nature》杂志上。DOI：10.1038/s41586-023-05727-z。

值得一提的是，奥地利因斯布鲁克大学前段时间还刚刚通过实验在 230 米的距离上实现两个离子的纠缠。据称，俘获离子是未来跨越城市乃至大陆的量子网络的一个有前景的平台，这项研究也发表在了《物理评论快报》杂志上。

由于隧穿效应几乎不可能发生，因此反应很慢，实验观测也变得异常困难。然而，经过几次尝试，Wester 团队终于成功地做到了这一点。

Wester 团队选择用宇宙中最简单的元素 —— 氢来进行实验。他们将氢的同位素氘引入离子阱，将其冷却，然后用氢气填充离子阱。由于温度非常低，带负电的氘离子缺乏能量与氢分子以传统方式进行反应，但却可以在非常罕见的情况下通过碰撞发生反应。

（IT之家科普：离子阱又称离子囚禁，其技术原理是利用电荷与电磁场间的交互作用力牵制带电粒子运动，并利用受限离子的基态和激发态组成的两个能级作为量子比特，利用微波激光照射操纵量子态，通过连续泵浦光和态相关荧光实现量子比特的初始化和探测，离子阱量子比特可以很容易与更多量子比特互动）

当氢分子和带电的氘原子发生碰撞时，这一交换质子的过程可以通过称为隧穿，但这种情况在 100 亿次碰撞中只会发生一次。

“由于量子力学波的特性，量子力学允许粒子突破能量势垒，并发生反应，”该研究的第一作者罗伯特・怀尔德解释说，“在我们的实验中给出了大约 15 分钟的可能反应，然后确定形成的氢离子的数量。从它们的数量，我们可以推断出反应发生的频率。”

值得一提的是，2018 年就曾有理论物理学家计算出，在这个系统中，量子隧穿概率为 1000 亿分之一。这与现在在因斯布鲁克测量的结果非常吻合，经过 15 年的研究，人类科学家首次证实了化学反应中隧道效应的精确理论模型。

当然，还有其他化学反应也可以利用隧道效应。只不过这是科学家第一次观察到量子隧穿效应，这种测量方法在科学理论中也得到了很好的理解。在此基础上，研究人员可以为化学反应建立更简单的理论模型，并在已经成功证明的反应上进行测试。

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