雖然量子隧穿不會讓你穿過磚牆到達九又四分之三站臺搭乘霍格沃茨特快列車——粒子“隧穿”看似不可逾越的勢壘——但它仍然是一種令人困惑、反直覺的現象。現在，多倫多 экспериментальные 物理學家使用銣原子研究這種效應，首次測量了這些原子穿過勢壘的渡越時間。他們的研究結果於 7 月 22 日發表在《自然》雜誌上。
研究人員表明，量子隧穿並非瞬時發生——至少，從一種現象的思考方式來看是這樣——儘管最近的頭條新聞暗示並非如此。“這是一個美麗的實驗，”澳大利亞格里菲斯大學的 Igor Litvinyuk 說，他研究量子隧穿，但沒有參與這次演示。“僅僅做到這一點就是一項英勇的努力。”
要理解量子隧穿有多麼奇異，可以考慮一個在平地上滾動的球，它遇到一個小而圓潤的小山丘。接下來會發生什麼取決於球的速度。要麼它會到達頂部並滾下另一側，要麼它會爬到半山腰並滑落下來，因為它沒有足夠的能量越過頂部。
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然而，這種情況並不適用於量子世界的粒子。即使粒子沒有足夠的能量越過小山丘的頂部，有時它仍然會到達另一端。“這就像粒子在山丘下挖了一條隧道，然後出現在另一側，”該研究的合著者多倫多大學的 Aephraim Steinberg 說。
理解這種怪異現象的最佳方式是根據粒子的波函式來思考粒子，波函式是其量子狀態的數學表示。波函式演化和擴散。它在任何時間和空間點的振幅讓您計算出在彼時彼地找到粒子的機率——如果您進行測量。根據定義，這種機率在許多地方可以同時為非零。
如果粒子遇到能量勢壘，這種遭遇會改變波函式的擴散，波函式開始在勢壘內呈指數衰減。即便如此，部分波函式仍然洩漏出去，並且其振幅在勢壘的遠端不會變為零。因此，仍然存在檢測到勢壘之外粒子的有限機率，無論機率多麼小。
物理學家自 20 世紀 20 年代末以來就知道了量子隧穿。如今，這種現象是隧道二極體、掃描隧道顯微鏡和用於量子計算的超導量子位元等裝置的核心。
自從發現量子隧穿以來，實驗學家們一直致力於更清楚地理解隧穿過程中究竟發生了什麼。例如，1993 年，當時都在加州大學伯克利分校的 Steinberg、Paul Kwiat 和 Raymond Chiao 探測到光子隧穿光學勢壘（一種特殊的玻璃，可以反射 99% 的入射光子；1% 的光子隧穿過去）。隧穿光子平均比在完全相同的距離內傳播但沒有勢壘阻礙的光子更早到達。隧穿光子似乎比光速還快。
仔細分析表明，從數學上講，是隧穿光子波函式的峰值（最有可能找到粒子的位置）以超光速傳播。然而，不受阻礙的光子和隧穿光子的波函式前沿同時到達探測器——因此沒有違反愛因斯坦的相對論。“波函式的峰值可以比光速快，而資訊或能量的傳播速度不會比光速快，”Steinberg 說。
去年，Litvinyuk 和他的同事發表了結果，表明當氫原子中的電子受到像勢壘一樣作用的外部電場限制時，它們偶爾會隧穿過去。正如理論預測的那樣，隨著外部場強度的振盪，隧穿電子的數量也會發生振盪。該團隊確定，勢壘達到最小值和最大數量的電子隧穿過去之間的時間延遲最多為 1.8 阿秒（1.8 x 10–18 秒）。即使是以大約每秒 30 萬公里速度傳播的光，在一阿秒內也只能傳播超過十分之三米的距離，大約相當於一個原子的大小。“[時間延遲] 可能是零，也可能是幾仄秒 [10–21 秒]，”Litvinyuk 說。
一些媒體報道有爭議地聲稱，格里菲斯大學的實驗表明隧穿是瞬時的。這種困惑很大程度上與隧穿時間的理論定義有關。該團隊測量的延遲型別當然幾乎為零，但該結果與說電子在勢壘中沒有花費時間是不同的。Litvinyuk 和他的同事沒有檢查量子隧穿的那個方面。
Steinberg 的新實驗聲稱就是要做到這一點。他的團隊測量了銣原子在隧穿勢壘之前在勢壘內花費的平均時間。時間約為毫秒級——遠非瞬時。
Steinberg 和他的同事首先將銣原子冷卻到約 1 納開爾文，然後用雷射誘導它們沿單一方向緩慢移動。然後他們用另一束雷射阻擋了這條路徑，形成了一個約 1.3 微米厚的光學勢壘。訣竅是測量粒子在隧穿勢壘時在勢壘中花費了多少時間。
為了做到這一點，該團隊使用複雜的雷射和磁場組合構建了一個所謂的 拉莫爾時鐘 的版本，以操縱原子態躍遷。原則上，會發生以下情況：想象一個自旋指向某個方向的粒子——把它想象成時鐘指標。粒子遇到勢壘，勢壘內部有一個磁場，導致時鐘指標旋轉。粒子在勢壘內停留的時間越長，它與磁場的相互作用就越多，指標旋轉的幅度就越大。旋轉的幅度是勢壘內花費時間的度量。
不幸的是，如果粒子與足夠強的磁場相互作用以正確編碼經過的時間，它的量子態就會坍縮。這種坍縮會擾亂隧穿過程。
因此，Steinberg 的團隊求助於一種稱為弱測量的技術：一組相同製備的銣原子接近勢壘。在勢壘內部，原子遇到並幾乎不與弱磁場相互作用。這種微弱的相互作用不會擾亂隧穿。但它會導致每個原子的時鐘指標移動一個不可預測的量，這可以在該原子離開勢壘後進行測量。取原子組時鐘指標位置的平均值，您會得到一個數字，該數字可以解釋為單個原子的正確值的代表——即使人們永遠無法對單個原子進行這種測量。基於這種弱測量，研究人員發現他們實驗中的原子在勢壘內花費的時間約為 0.61 毫秒。
他們還驗證了量子力學的另一個奇怪的預測：隧穿粒子的能量越低或移動速度越慢，它在勢壘中花費的時間就越少。這個結果是違反直覺的，因為在我們日常對世界如何運作的概念中，速度較慢的粒子預計會在勢壘中停留更長的時間。
Litvinyuk 對時鐘指標旋轉的測量印象深刻。“我沒有看到其中的漏洞，”他說。但他仍然保持謹慎。“最終，它如何與隧穿時間相關仍然有待解釋，”他說。
加州大學伯克利分校的量子物理學家 Irfan Siddiqi 對該實驗的技術複雜性印象深刻。“我們現在目睹的事情非常驚人，因為我們擁有工具來測試上個世紀的所有這些哲學思考，”他說。
Litvinyuk 2019 年研究的合著者 Satya Sainadh Undurti 現在在以色列理工學院，他也同意。“拉莫爾時鐘肯定是提出隧穿時間問題的正確方法，”他說。“本文中的實驗裝置是一種巧妙而簡潔的實現方式。”
Steinberg 承認，他的團隊的解釋會受到一些量子物理學家的質疑，特別是那些認為弱測量本身值得懷疑的物理學家。儘管如此，他認為該實驗明確地說明了隧穿時間。“如果你使用正確的定義，它並非真正瞬時。它可能非常快，”他說。“我認為這仍然是一個重要的區分。”