IT之家 3 月 2 日消息，在經典物理世界中，從一座大山的這邊穿到那邊，只能消耗體力翻山越嶺。但在量子物理世界裏，有一種“穿牆術”存在，這就是量子隧穿效應。
奧地利因斯布魯克大學物理學家首次在實驗中觀察到了這種效應，這是有史以來觀察到的最慢的帶電粒子反應。據稱，這種量子事件每 100 億次發生一次。
化學中的隧穿反應是很難預測的。用量子力學精確地描述三個以上粒子的化學反應是困難的，而對四個以上粒子的化學反應幾乎是不可能的。理論學家可以用經典物理學模擬這些反應，但他們必須忽略量子效應。但是，這種只能提供近似值的經典化學反應描述的極限在哪裏?
該校離子物理與應用物理系的 Roland Wester 教授長期以來一直在嘗試探索這一前沿領域。這位實驗物理學家表示：“它需要一次實驗，可以進行非常精確的測量，並且仍然可以用量子力學來描述。” “15 年前，我在美國的一次會議上與一位同事交談時想到了這個想法”，他想在一個非常簡單的反應中追蹤量子力學隧道效應。
經過 15 年的研究，他終於取得了重要突破。相關論文已於當地時間 3 月 1 日發表在最新一期《Nature》雜誌上。DOI：10.1038/s41586-023-05727-z。
值得一提的是，奧地利因斯布魯克大學前段時間還剛剛通過實驗在 230 米的距離上實現兩個離子的糾纏。據稱，俘獲離子是未來跨越城市乃至大陸的量子網絡的一個有前景的平台，這項研究也發表在了《物理評論快報》雜誌上。
由於隧道效應幾乎不可能發生，因此反應很慢，實驗觀測也變得異常困難。然而，經過幾次嘗試，Wester 團隊終於成功地做到了這一點。
Wester 團隊選擇用宇宙中最簡單的元素 —— 氫來進行實驗。他們將氫的同位素氘引入離子阱，將其冷卻，然後用氫氣填充離子阱。由於温度非常低，帶負電的氘離子缺乏能量與氫分子以傳統方式進行反應，但卻可以在非常罕見的情況下通過碰撞發生反應。
（IT之家科普：離子阱又稱離子囚禁，其技術原理是利用電荷與電磁場間的交互作用力牽制帶電粒子運動，並利用受限離子的基態和激發態組成的兩個能級作為量子比特，利用微波激光照射操縱量子態，通過連續泵浦光和態相關熒光實現量子比特的初始化和探測，離子阱量子比特可以很容易與更多量子比特互動）
當氫分子和帶電的氘原子發生碰撞時，這一交換質子的過程可以通過稱為隧穿，但這種情況在 100 億次碰撞中只會發生一次。
“由於量子力學波的特性，量子力學允許粒子突破能量勢壘，併發生反應，”該研究的第一作者羅伯特・懷爾德解釋説，“在我們的實驗中給出了大約 15 分鐘的可能反應，然後確定形成的氫離子的數量。從它們的數量，我們可以推斷出反應發生的頻率。”
值得一提的是，2018 年就曾有理論物理學家計算出，在這個系統中，量子隧穿概率為 1000 億分之一。這與現在在因斯布魯克測量的結果非常吻合，經過 15 年的研究，人類科學家首次證實了化學反應中隧道效應的精確理論模型。
當然，還有其他化學反應也可以利用隧道效應。只不過這是科學家第一次觀察到量子隧穿效應，這種測量方法在科學理論中也得到了很好的理解。在此基礎上，研究人員可以為化學反應建立更簡單的理論模型，並在已經成功證明的反應上進行測試。