对于外行来说，量子物理学是一门科学的分支，它描述了构成物质的粒子以及它们相互作用的力。如果我们对量子世界有所了解的话，那就是这个量子世界很奇怪。在难以想象的小尺度上，事物的行为并不直观。物理学家可能对量子物理学背后的一些数学有很好的理解，但这些数学有时会指向一些让他们摸不着头脑的东西。
尼尔斯·玻尔曾经说过一句名言：“那些第一次接触量子理论时不感到震惊的人不可能理解它。”在量子世界中，纠缠在一起的粒子可能比光速还快，微小粒子可能同时存在于多个地方，粒子可能随机地出现或消失，有些粒子还可能像鬼魂一样“穿越墙壁”。是的，量子世界很奇怪。正如你可能已经猜到的，我们将在这里一个叫做量子隧穿的过程。从最基本和最容易理解的解释来看，量子隧穿是一种波函数可以通过势垒传播的力学现象。想象你向墙上扔一个球。它会撞到墙然后弹回来。如果你让它滚下山坡，当它到达底部时，它就会停留在那里。但在量子尺度上，粒子偶尔会穿过墙壁，而不是“弹回来”。尽管这看起来像是漫威电影《复仇者联盟》中的一个情节设计，但这种现象早在1928年就已经被注意到了，当时两位物理学家在《自然》杂志上写道，粒子有时似乎“从山上滑过，从山谷中逃逸”。障碍在这里没用
想象一下，你和你的妹妹正在用量子枪进行战斗。在这种情况下，你们是在房间的不同侧面互相射击。当你不断向你的对手开火时，你的妹妹正蹲在一堵几英尺高、几英尺宽的小枕头“墙”中间。因为这是量子世界，你的枪里有数百万发子弹。在这种情况下，99.999%的子弹会被墙上弹开。然而，非常小的一部分会“传送”到墙的另一边，在你妹妹身上完成最后的攻击。子弹是如何神奇地出现在变身墙的另一边的？这要归功于量子隧道。这就是我们的故事开始的地方。粒子有可能从山上滑过，逃离山谷。
自从1928年关于量子隧穿思想的论文首次发表以来，研究人员一直渴望对这一现象有更多的了解，了解它是如何工作的，并对“隧穿”发生的速度这一古老问题有一个直接的答案。隧道效应本身就很好地提醒了我们，在量子层面上，奇怪的粒子是如何表现的。在量子隧道中，一个亚原子粒子可以出现在它不可能穿透的势垒的另一边。假设你要释放一个亚原子粒子，比如电子或质子，进入势能山一侧的空间。粒子没有足够的能量爬过这个山，所以你确信粒子会呆在原地。尽管如此，粒子还是突然消失了。就像上面的图一样，一旦你走到山的另一边，你会注意到粒子以某种方式越过了山。粒子隧道可以像这样通过屏障，它可能比你想象的更常见。事实上，量子隧穿对于像光合作用这样的基本过程可能是必不可少的。当物理学家们发现量子隧道时，他们意识到它实际上解决了许多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变，以及太阳中的氢核如何能够克服它们之间的排斥并融合，从而产生阳光。没有它，半导体、晶体管和二极管就无法工作。当然，量子计算也涉及到隧道。事实证明，粒子经常滑过山，从山谷中逃逸。在你研究量子隧穿之前，你需要掌握量子物理学背后的一些主要思想
资料来源：俄勒冈大学经典物理和量子物理最重要的区别之一是量子物理是概率性的。让我们回到粒子和山势垒的例子。如果我们试着把一个球推到山上，我们就会一直知道球在哪里。但是，由于我们使用的是粒子，与球不同，我们不能确切地知道一个粒子在给定时间的位置。你可以感谢海森堡测不准原理解释了这一点。它指出，我们永远不可能同时知道亚原子粒子的确切位置和动量。有趣的是，这与缺乏合适的测量工具无关。海森堡测不准原理似乎是现实本质的一个基本部分。
量子隧道通过势垒。我们能够测量出一个粒子在一个给定时间，在一个非常高的程度上的位置的概率。量子物理学家使用波函数模拟这些概率。简而言之，波函数是在给定的时间和地点找到一个物体的概率的描述。波的一个奇怪的特性是，当它们碰到什么东西时，它们很少停下来。当音乐与固体接触时，声波不会停止。这就是为什么即使你锁着门，你的室友还能听到你砰砰砰的音乐。
同样的情况也发生在用于描述量子粒子的波形上。一个物体的波函数可以扩展到甚至超过一个势垒。因为这个函数描述了一个粒子在一个给定空间中的概率，这个粒子也会到达势垒的另一边。你能穿墙吗？
一些研究表明，量子隧道效应可能发生在我们的体内，因为负责激活碳-氢键的酶可能会促进氢隧穿效应。有趣的是，其中一种酶负责将乙醇转化为乙醛，乙醛是一种会在饮酒后引起头痛、头晕和恶心的化合物。量子隧穿发生的有多快？
然而，在过去的几十年里，这一直是一个激烈争论的话题，还有粒子“移动”穿过屏障时会发生什么。就像量子世界中的许多事情一样，这些问题的答案并不简单。此前，研究人员曾尝试测量隧穿发生所需的时间，但所得到的结果各不相同，而且常常存在问题。一些人认为，隧道挖掘的速度可能比光速还要快。然而，就在去年，科学家们通过一项具有历史意义的、长达20年的研究实验，可能已经破解了这个谜团。在加拿大高级研究院量子信息科学项目的物理学家发表的论文中，研究人员不仅描述了他们是如何测量这个过程的，还描述了他们得到的数据。量子隧穿是最令人困惑的量子现象之一。我们现在能够以这种方式研究它真是太棒了，”该研究的合著者、量子信息科学项目的联合主任斯坦伯格说。
他们利用量子物理学中一些最基本的原理使其发生。在他们的实验中，他们使用了8000个铷原子，将其冷却到开氏温度以上十亿分之一度。原子需要在这样的温度下，否则它们就会以高速随意移动，而不是呆在一个小团中。加拿大的物理学家们用激光制造了一个势垒，将其聚焦，使势垒达到1.3微米厚，相当于2500个铷原子的厚度。利用另一束激光，研究小组将铷原子推向屏障，以大约每秒3.8毫米的稳定速度移动。大多数铷原子都被势垒反弹。然而，多亏了量子隧穿效应，3%的原子穿透了势垒，到达了另一边。对铷的选择不是随机的。之所以使用它，是因为原子的自旋可以被激光改变。铷通过势垒所需的时间越长，自旋的变化就越大。通过测量原子进入势垒之前和之后的自转轴，科学家们可以知道原子通过隧道需要多长时间。那么，这个过程花了多长时间？平均是0.61毫秒。
这个结果被证明有点令人困惑，因为这在量子世界中是相对缓慢的，尤其是考虑到之前的工作表明隧道效应可以瞬间发生。无论如何，这是另一个令人印象深刻的例子，说明了一种方法如何有助于揭开量子领域的神秘面纱。最大的收获是，这是可能的测量这一事件。“我们正在研究一种新的测量方法，我们将障碍物加厚，然后确定不同深度的进动量。观察原子的速度是否恒定将是非常有趣的”，该团队说。虽然量子隧穿不像其他案例那样神秘，但它是我们世界和宇宙本质的重要组成部分。理解量子隧道可以帮助我们进一步发展量子计算机等新兴技术。这将是有趣的新量子现象，我们将能够测试。