物理学家揭示量子隧穿现象的瞬时时间测量

物理学家最近通过实验测量出量子隧穿的时间非常接近瞬时。量子隧穿是一种奇特的量子现象，描述了微观粒子能够穿越看似不可能逾越的障碍物的行为。研究团队利用先进的实验技术，成功测量了量子隧穿时的时间尺度，结果显示量子隧穿几乎是瞬时发生的。这项研究成果不仅对量子物理学理论提出了新的挑战，而且为开发更快速和高效的量子技术提供了重要的实验数据基础。该成果有望在量子计算、通信和传感等领域产生深远影响。

量子隧穿效应（Quantum tunneling effect）指的是，像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为，尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。现在一个物理学家团队已经测量了该过程需要多长时间。

虽然听起来像是科幻小说，但量子隧穿是一种记录良好的现象，发生在电子显微镜和晶体管等日常用品中。众所周知，像电子这样的基本粒子也会定期从其原子中“隧穿”，这是放射性衰变背后的关键驱动因素。

但围绕这一现象的一个持续的谜团是粒子通过障碍物进行量子隧穿需要多长时间 - 或者它是否需要任何时间。一些科学家认为它是瞬间发生的，但这意味着它的行进速度比光速快，可能违反了因果关系原则。

为了测量量子隧穿的时间，格里菲斯大学和澳大利亚国立大学的研究人员用强激光轰击氢原子，每秒发射1000个光脉冲。他们的想法是，这为电子从原子中逃逸创造了合适的条件，使团队能够精确测量量子隧穿所需的时间。

结果证明量子隧道效应似乎是瞬间的 - 或者至少是如此迅速地发生，它基本上是瞬间完成的。根据研究人员的说法，它需要不到1.8阿秒。

该研究的共同主要作者Robert Sang表示：“有一个定义明确的点，在那里我们可以开始这种相互作用，并且我们知道电子应该在何时瞬间产生。因此，我们知道通过障碍需要花费很长时间才能完成任何不同的事情。这就是我们如何衡量需要多长时间。它与实验不确定性中的理论一致，与瞬时隧穿效应一致。”

有趣的是，这与之前测量更长隧穿时间的研究形成对比。，马克斯-普朗克研究所的研究人员发现量子隧穿效应需要180阿秒，但新研究背后的团队表示，像这样的早期实验过于复杂，容易出错。

“其他地方的先前测试使用了更复杂的原子，包含几个或多个电子，”该研究的共同主要作者Igor Litvinyuk表示。“为了解释不同电子之间的相互作用，他们使用了不同的近似模型。在这些模型中他们提取了时间。我们的模型没有使用近似值，因为我们不必担心电子 - 电子相互作用。而且，其中一个实验他们测量了两种原子之间的相对时间延迟，而不是单个原子的时间延迟。”

研究人员说他们已经解开了这个长期存在的物理学谜团。该研究发表在《自然》杂志上。

Sang教授在下面的视频中讨论了这项研究。