人类靠科幻才能做到的事，它们却能随时搞定？

想象一下

如果你也能像孙悟空一样

腾云驾雾，瞬间移动

自由地穿梭于世界各个角落

那岂不妙哉

在肉眼无法窥见的微观世界里

还真有这么一种本领——量子隧穿

它并非玄幻的魔法

而是真实存在的量子规律

深深根植于我们日常之中

量子世界

不讲牛顿那一套

世间万物由原子组成，而原子又是由更小的电子、质子和中子所组成的。到了原子尺度，适用于宏观世界的诸多定律都失效了，比如牛顿三大定律，取而代之的是量子力学。

在微观世界里，粒子具有一种新颖的特性——波粒二象性，指的就是同时具有粒子和波的特性。所以我们不能简单用宏观世界里的空间和动量坐标来描述微观粒子。

“薛定谔的猫”思想实验的示意图 图源：Wikipedia

而“撸猫”人士薛定谔的思想实验表明：在量子力学中，电子处于一个混合状态——叠加态。当对电子的状态进行测量时，叠加态就会坍缩成确定状态。

在宏观世界里，一颗皮球撞上厚实墙壁，会被墙面弹回，无法凭空穿过墙体，这是经典物理的常识。

但在微观世界，电子、质子等量子粒子完全不守这套规矩，它们是有概率“穿墙而过”的。这个过程，称之为“量子隧穿”。

《聊斋志异》的篇目之一——《崂山道士》就有关于穿墙术的描述：

《聊斋志异》 图源：中国科普博览

但量子世界的穿越不是道士的法术，而是波粒二象性的结果。

首先，先来了解一下：什么是势垒。势垒是势能比附近的势能都高的空间区域，基本上就是极值点附近的一小片区域。对于微观粒子而言，如果能量不够，势垒就是一堵不可穿越的墙。

在微观世界中，粒子的一切特性都是不确定的，著名的不确定性原理可以很好的描述这种不确定性：

图源：中科院物理所

其中，第二个式子的Δt代表的是某状态演变的时间，一定是正值，所以该式可以变为：

图源：中科院物理所

也就是说，在给定的时间间隔内，粒子存在能量的涨落ΔE。若假设粒子原本的能量为E，则粒子的能量变化范围实际上是E±ΔE。

假设粒子要跨越的势垒是V，且E<V。由于存在能量的涨落，粒子可以通过能量ΔE来“穿墙”：当E+ΔE>V时，粒子就可以移动到墙的另一侧，仿佛无视了屏障限制，打通了一条看不见的微观隧道。

它既不是粒子慢慢挖洞凿开屏障，也不是瞬间获得额外能量翻越高墙，而是依托量子特有的概率属性，以一定概率完成对势垒的穿越。

在量子力学的微观世界里，微观粒子有一定的概率穿过原本看似不可逾越的“墙壁”，出现在墙壁的另一侧 图源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

量子隧穿三大核心特点

1.能量不足仍能穿墙：宏观世界里，能量不够寸步难行。而微观世界里，即便粒子能量低于势垒高度，仍存在穿透的概率。

能量与势垒高度差距越小、势垒越薄，穿墙成功率越高；反之，势垒越厚、能量差距越大，隧穿概率会呈指数式下降，但永远不会完全归零。

2.概率随机，无法精准预判：当参数完全一致的同一批微观粒子撞击同一块势垒时，有的会被反弹，有的则顺利穿墙，没有固定规律可循。

我们只能统计整体穿透概率，就像买彩票，无法预知单张彩票能否中奖，却能计算出整体中奖比例。

3.隧穿过程不同于经典运动：粒子隧穿穿过势垒的过程通常发生在极短时间尺度内，但它并不遵循经典粒子匀速穿越障碍的规律。

粒子在势垒内部没有清晰、可观测的连续行进轨迹，而是通过波函数的延伸与概率分布，在势垒另一侧以一定概率被观测到。

量子实现隧穿效应不是“瞬间完成”的。多伦多大学Ramón Ramos团队通过测量玻色凝聚态的87Rb原子穿越1.3微米厚的势垒的时间证明了这一点。

研究团队通过在势垒内定位一个伪磁场，使用原子的自旋进动作为时钟来测量它们穿过“隧穿现象”中的“围墙”所需的时间。测量的遍历时间为0.61(7)ms，也就是说，隧穿时间很短，但并非瞬间发生，而是真实存在一小段耗时。

一个原子波包在光势能下的遍历时间 图源：中科院物理所

量子隧穿

能让人穿墙而过吗

人体由海量原子通过化学键紧密结合而成，要让整个人穿墙，所有粒子几乎同步隧穿，概率无限趋近零。

从物理规律来看，人穿墙根本不可能实现，相关说法全是伪科学。

图源：网络

不过，藏在生活里的隧穿黑科技，早已走进人们的现实生活。

隧道二极管利用电子隧穿效应实现特殊导电特性，早年曾广泛应用于收音机、稳压电路及高频开关元件，是早期电子工业的核心元器件；

扫描隧道显微镜的核心原理，是针尖与样品表面之间的电子隧穿现象。通过监测隧穿电流的变化，科学家能够绘制出原子级的表面图像，这一技术推动了纳米材料与凝聚态物理的飞速发展，也为芯片微型化研发提供了关键支撑；

螺旋边界态探针的工作原理示意图 图源：中国科学技术大学

手机、电脑等设备的闪存数据擦写，则依赖浮栅结构中的电子隧穿完成电荷迁移。正是这项隧穿技术，让大容量、小型化的存储芯片成为现实，为智能手机、固态硬盘的普及奠定了基础。

随着量子科技持续迭代升级，量子隧穿效应成为助力前沿尖端科技突破的核心关键，在芯片革新、精密探测、量子计算三大领域解锁全新可能性。

在芯片研发领域，基于可控量子隧穿技术研发的单电子晶体管，让芯片元件向更小尺寸、更高集成度、更低功耗发展，有望彻底突破传统芯片的制程瓶颈，为未来微型化、高性能芯片提供全新的技术路径。

复旦大学周鹏、刘春森团队设计共面的漏极-沟道-源极“归壹”结构，达到了“一电子、一比特”电荷存储的理论顶峰 图源：科创中国

在精密探测领域，量子隧穿效应具有得天独厚的优势：隧穿电流对外部环境的细微变化极为敏感，即使是极其微弱的磁场波动或气压变化，都能使其产生显著改变。

在医疗领域，该效应有望助力研发超高精度无创监测设备，精准捕捉人脑微弱磁场变化，辅助脑部疾病筛查与人体生命体征的精细化监测；

在智能科技领域，可用于制造柔性微型传感器，应用于智能穿戴设备与仿生机器人，让设备具备媲美人体皮肤的细腻感知能力；

在导航领域，凭借其极致灵敏的磁场感知特性，能够摆脱GPS信号依赖，实现地下、室内、隧道等无信号场景的精准定位；

在量子计算领域，通过精准调控电子隧穿的时机、概率与传输路径，可以帮助构建可控的量子态和量子器件，为提升量子计算系统的稳定性、可控性和集成度提供支撑。

我国科学家在稳定同位素富集领域取得关键性突破，首次成功实现丰度超过99.99%的硅-28同位素自主量产，攻克硅基量子芯片关键材料 图源：央视新闻

同时，随着相关技术持续进步，量子隧穿有望在量子芯片、量子器件和新型计算架构中发挥更大作用，在量子计算、药物研发、气象模拟、密码运算、人工智能超级算力等领域释放价值，真正展现量子科技的颠覆性潜力。

量子隧穿是微观世界独有的概率奇迹，它藏在你的日常里，也通向未来世界。这项隐身于微观世界的“穿墙术”，正持续驱动人类微电子与量子科技不断向前突破。

虽然你不能穿墙

但你可以走进量子世界

周末来广州青少年科技馆

“我有一只量子猫”量子科学主题展

近距离感受

量子叠加、量子隧穿这些神奇现象

“我有一只量子猫”

量子科学主题展

地点：广州青少年科技馆

亮点速览：3大主题展区+28件互动展品

+硬核科普+趣味打卡+避坑干货

这里有一连串必打卡亮点

带你拆开百年物理学的微观奥秘

第一展区：出逃的小猫

必打卡亮点：

🌟薛定谔的盒子｜量子叠加与坍缩名场面

🌟两面猫｜可视化量子叠加态体验

🌟非生非死的猫｜亦此亦彼的量子叠加彩蛋

🌟原子光谱｜电子跃迁发光解密

🌟物质是无限可分的吗｜探寻物质最小单元

🌟量子力学大事记｜量子科学时光长廊

第二展区：幻想实验室

必打卡亮点：

🌟科学家谈量子力学｜聆听先驱科研心声

🌟弦理论｜宇宙终极万物猜想

🌟量子有超能力｜撑起未来科技的核心绝技

🌟走近微观世界｜颠覆认知的原子尺度真相

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第三展区：量子体验场

必打卡亮点：

🌟粒子物理标准模型｜解锁万物微观构成

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🌟广州量子科技发展成果｜身边的前沿量子科技

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参考文章来源：新华社、中科院物理所、中国科普博览、探臻科技评论、果壳

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