虽然人们无法穿过一堵墙达到《哈利波特》中所描述的9¾站台乘坐霍格沃兹列车，但是粒子却可以“隧穿”一个本该无法克服的势垒，这就是量子隧穿效应，它至今仍是令人费解且反直觉的一个现象。近日，多伦多的实验物理学家利用铷原子来研究量子隧穿效应，并首次测量了原子穿过势垒的时间。这一工作于6月22日发表在《自然》杂志上。
研究者们证明，量子隧穿效应并不是瞬时发生的——至少从某个角度来诠释是这样的——然而最近的头条新闻报道出了偏差。“这是一个非常漂亮的实验。”澳大利亚格里菲斯大学的Igor Litvinyuk这么评价，他也从事于研究量子隧穿效应但未参与这个实验。“单单是开展了这个实验就是一个英勇的努力。”
我们可以这样来理解量子隧穿效应到底有多么奇异：想象一个在平地上滚动的球，碰到了一个小圆丘。接下来小球怎么运动取决于它的速度——要不就是速度足够大，小球达到小圆丘的顶点并且翻到另一边；要不就是速度不够，没有足够的能量越过顶点，小球滚到半坡后就往回滚。
然而这一情况却并不适用于量子世界。即使小球的能量不足以越过小圆丘的顶点，它有时候也可能到达小圆丘的另一边。“这就像小球在小圆丘下面挖了个隧道，然后通过这个隧道到达了小圆丘的对面。”该研究的共同作者多伦多大学的Aephraim Steinberg这样说到。
要想理解这么一个诡异的现象，最好的方式是从波函数（量子态的数学表示）的角度来考虑粒子的行为。波函数不断演化和传播，而它在任一时空点的波幅可以用于计算在此时此地找到这个粒子的概率——如果进行测量的话。根据这个定义，这个概率可以在同一时间在不同位置都不为零，即同时可以在多个位置有概率找到粒子。
如果粒子遇到一个势垒，它的波函数的传播会因此改变，表现为在势垒内部波函数指数衰减。即使如此，波函数仍有可能穿过这个势垒，从而在这个势垒的另一端它的波幅不为零。因此，在势垒的另一边存在一定的概率，这足以探测到粒子的存在。
物理学家从20世纪20年代末就知道了量子隧穿效应。时至今日这一现象仍然是许多期间的核心原理，例如量子隧穿二极管、扫描隧道显微镜、量子计算机中的超导量子比特。
自从这一现象被发现以来，实验学家一直致力于清晰地描述隧穿过程中到底发生了什么。例如，1993年加州大学伯克利分校的Steinberg、Paul Kwiat和Raymond Chiao等人探测到光子隧穿了一个光学势垒（一块特殊的玻璃，可以反射99％的入射光子；而剩下1%可以隧穿过去）。令人惊奇的是，隧穿通过的光子平均到达势垒另一端的时间，要比运动同样距离但是不受势垒阻碍的光子要短。隧穿的光子似乎传播得比光速还快！
进一步的分析表明，从数学上来说，实际上是隧穿光子的波函数的峰值位置（即最有可能找到粒子的位置）以超光速传播。而波函数的前沿，不管是对于未受势垒影响的光子还是隧穿的光子来说，到达探测器的时间都是相同的——所以这并不违背爱因斯坦的相对论。“波函数的峰值位置是允许超光速传播的，因为没有任何信息或者能量超光速传播。”Steingerg说。
去年，Litvinyuk和他的同事们发表了研究结果，表明当氢原子中的电子被表现为势垒的外加电场限制时，它们偶尔也会出现隧穿现象。当外加电场振荡时，隧穿电子的数目也随之振荡，这一现象正如理论预测那样。研究团队证实，势垒到达最小值和隧穿电子到达最大值有着最多1.8阿秒（1.8×10-18秒）的延迟时间。即使是每秒运动30000000米的光，也只能在一阿秒内运动一米的一百亿分之三十的距离，也就大概一个原子的尺寸。“（延迟时间）可能为零，也有可能数仄秒（10-21秒），”Litvinyuk说。
所以一些媒体报道颇有偏差地宣称，格里菲斯大学的实验结果表明隧穿是瞬时发生的。这个误解与隧穿时间的理论定义有关。研究团队测量到的延迟时间几乎为零，但这并不是说光子不花时间就可以穿过势垒。Litvinyuk和他的同事们并没有对于隧穿效应的这一方面进行研究。
而Steinberg的新实验在这方面做了研究。他们的研究团队测量了铷原子平均多久隧穿通过势垒。这个时间在毫秒量级，远远称不上是瞬时。
Steinberg和他的同事们首先将铷原子冷却到大约一纳开尔文的极低温度，再用激光诱导它们往单一方向缓慢移动。然后用另一束激光封锁原子前进的道路，创造一个约1.3微米厚的光学势垒。这样的设计旨在测量粒子隧穿过势垒需要多少的时间。
为了实现测量，研究团队用复杂的激光和磁场组合制作了一版名为拉莫钟的装置，用于操控原子的状态变化。原理上来说是这样的：想象一个粒子，它的自旋朝着某一特定的方向——把它想象成时钟指针的样子。粒子遇到一个势垒，势垒中有一个磁场可以导致这样一个时钟指针旋转。粒子在势垒中待得越久，它就与磁场相互作用得越多，那么这个指针转的角度就越大。所以旋转的角度就反映了粒子隧穿势垒的时间。
不幸的是，如果粒子与一个足够强的磁场发生相互作用，导致粒子的运动时间能够被准确地表述，那么粒子的量子态就会坍缩。这个坍缩会破坏量子隧穿过程。
所以Steinberg的团队采用了一项被称为弱测量的技术：用一组完全相同的铷原子接近势垒。在势垒中，这些原子仅仅与一个弱磁场相互作用，然后每个原子上的时钟指针偏转，偏转角度不可预测，这个角度可以在原子通过势垒后立刻被测量得到。取这组时钟指针的平均位置，就可以用来表示单个原子通过势垒后的正确的状态——尽管实际上不可能对单个原子进行这样的测量。基于这样的弱测量方法，研究者发现实验中的原子大约在势垒中的时间大约为0.61毫秒。
他们同时还证实了量子力学的另一个奇异的预测：隧穿粒子的能量越低或者运动越慢，通过势垒的时间就越小。这一结果非常反直觉，在我们日常对于世界运作的认知中，较慢的粒子应该是要在势垒中待上更长的时间。
Litvinyuk对于时钟指针的旋转的测量印象深刻。“我看不出这个实验有什么漏洞。”不过他仍然保持谨慎的态度。“它到底如何与隧穿时间关联起来还需要进一步的解释。”
加州大学伯克利分校的物理学家Irfan Siddiqi对于这个实验的精密的技术印象深刻。“我们正在见证一件相当惊人的事情，因为我们有了一个有力的工具来检验上个世纪的所有哲学思考，”他说。
Satya Sainadh Undurti是Litvinyuk在2019年那项工作的共同作者，如今在以色列理工大学就职，他也同意这个观点。“拉莫钟必定是探究隧穿时间这一课题的正确方法，”他说。“这篇论文中设计的实验，非常聪明且简洁地实现了这一功能。”
Steinberg承认他们团队的诠释可能被一些量子物理学家质疑，特别那些认为弱测量本身就是值得怀疑的人。尽管如此，他认为这个实验对于隧穿时间的内容是明确的。“如果采用正确的定义，它就并不是瞬时发生的。尽管它或许相当的快，”他说。“我认为这是一个重要的区别。”
