突破光速：量子隧穿之谜

诸平

Quantum tunneling allows particles to bypass energy barriers. A new method has been proposed to measure the time it takes for particles to tunnel, which could challenge previous assertions of superluminal tunneling speeds. This method involves using atoms as clocks to detect subtle time differences. Credit: SciTechDaily.com

据德国达姆施塔特工业大学（Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany）2024年5月18日提供的消息，突破光速:量子穿隧之谜（Breaking Light Speed: The Quantum Tunneling Enigma）。

量子物理学中有一种神奇的现象叫做隧道效应（tunneling），粒子的运动速度似乎比光速还快。然而，来自达姆施塔特工业大学的物理学家认为，到目前为止，粒子隧穿所需的时间一直是不正确的。他们提出了一种阻止量子粒子速度的新方法。

在经典物理学中，有一些无法规避的严格定律。例如，如果一个滚动的球缺乏足够的能量，它就不能翻过小山;相反，它会在达到峰值之前回落。在量子物理学中，这个原理并没有那么严格。在这里，一个粒子可以通过一个障壁，即使它没有足够的能量越过障壁。它的行为就像在隧道中滑动，这就是为什么这种现象也被称为“量子穿隧效应”（“quantum tunneling”）。这不仅仅是理论上的魔法，这种现象有实际应用，比如在闪存驱动器的操作中。

量子穿隧效应和相对论（Quantum Tunneling and Relativity）

过去，粒子穿隧速度超过光速的实验引起了一些关注。毕竟，爱因斯坦的相对论（Einstein’s theory of relativity）禁止超光速。因此，问题是在这些实验中是否正确地“停止”了穿隧效应所需的时间。达姆施塔特工业大学的物理学家帕特里克·沙赫（Patrik Schach）和恩诺·吉斯（Enno Giese）采用了一种新的方法来定义穿隧粒子的时间。他们现在提出了一种新的测量时间的方法。在他们的实验中，他们用一种他们认为更适合穿隧效应的量子特性的方法来测量它。他们在著名的《科学进展》（Science Advances）杂志网站上2024年4月19日发表了他们的实验设计——Patrik Schach, Enno Giese. A unified theory of tunneling times promoted by Ramsey clocks. Science Advances, 2024, 10(16): eadl6078 DOI: 10.1126/sciadv.adl6078. Pub Date: 19 Apr 2024. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl6078.

波粒二象性和量子穿隧效应（Wave-Particle Duality and Quantum Tunneling）

根据量子物理学，原子或光粒子等小粒子具有双重性质。根据实验的不同，它们表现得像粒子或像波。量子穿隧效应强调粒子的波动性。一个“波包”（“wave packet”）卷向屏障，相当于一股汹涌的水。波的高度表示粒子在这个位置出现的概率，如果它的位置被测量。如果波包碰到能垒，部分会被反射。然而，有一小部分穿透了屏障，并且粒子出现在屏障另一侧的概率很小。

重新评估穿隧速度（Reevaluating Tunneling Speed）

先前的实验观察到，一个光粒子穿过隧道后比一个自由路径的光粒子走了更远的距离。因此它会比光传播得更快。然而，研究人员必须确定粒子通过后的位置。他们选择了波包的最高点。

“但是，粒子并不遵循经典意义上的路径，”恩诺·吉斯不赞成。因为不可能确切地说出粒子在某一特定时间的位置，这使得我们很难判断从A点到B点所需的时间。

隧穿时间测量的新方法（A New Approach to Measuring Tunneling Time）

另一方面，帕特里克·沙赫和恩诺·吉斯则受到爱因斯坦的一句话的指导:时间就是你从时钟上读出的东西（“Time is what you read off a clock.”）。他们建议使用隧穿粒子本身作为时钟。第二个不隧穿的粒子作为参考。通过比较这两种自然时钟，可以确定在量子隧穿效应中时间的流逝是更慢、更快还是同样快。

粒子的波动特性有利于这种方法。波的振荡与时钟的振荡相似。具体来说，帕特里克·沙赫和恩诺·吉斯建议使用原子作为时钟。原子的能级以一定的频率振荡。在用激光脉冲对原子进行定位后，原子的能级开始振荡，同时原子钟启动。然而，在隧穿过程中，其节奏略有变化。第二个激光脉冲使原子的两个内部波相互干扰。探测到干扰使得测量两个能级波之间的距离成为可能，这反过来又精确地测量了隧穿经过的时间。

另一个不隧穿的原子作为参考来测量隧穿和非隧穿之间的时间差。两位物理学家的计算表明，隧穿粒子将显示出轻微的延迟时间。帕特里克·沙赫说，“被隧穿的时钟比另一个稍微年长一些。”这似乎与把超光速归因于隧道效应的实验相矛盾。

实施实验的挑战（The Challenge of Implementing the Experiment）

帕特里克·沙赫说，原则上，这项测试可以用今天的技术进行，但这对实验者来说是一个主要的挑战。这是因为要测量的时间差只有10^-26秒左右，这是一个非常短的时间。物理学家解释说，这有助于使用原子云而不是单个原子作为时钟。也有可能放大这种效应，例如通过人为地增加时钟频率。

恩诺·吉斯补充说：“我们目前正在与实验同事讨论这个想法，并与我们的项目合作伙伴保持联系。”很有可能很快就会有一个团队决定进行这项令人兴奋的实验。

本研究QUANTUS+和INTENTAS项目由德国航空航天中心（German Aerospace Center / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt简称DLR）、德国联邦经济事务和气候行动部（Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action / Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz简称BMWK）、德国联邦经济事务和能源部（Federal Ministry of Economic Affairs and Energy / Bundesministerium für Wirtschaft und Energie简称BMWi）提供资助{German Bundestag under grant nos. 50WM2250E (QUANTUS+) and 50WM2177 (INTENTAS)}；也得到了德国研究基金会在CRC 1227 (DQ-mat)中提供墨卡托奖学金{German Research Foundation [Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)] for a Mercator Fellowship within CRC 1227 (DQ-mat)}的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

What time does a clock tell after quantum tunneling? Predictions and indirect measurements range from superluminal or instantaneous tunneling to finite durations, depending on the specific experiment and the precise definition of the elapsed time. Proposals and implementations use the atomic motion to define this delay, although the inherent quantum nature of atoms implies a delocalization and is in sharp contrast to classical trajectories. Here, we rely on an operational approach: We prepare atoms in a coherent superposition of internal states and study the time read-off via a Ramsey sequence after the tunneling process without the notion of classical trajectories or velocities. Our operational framework (i) unifies definitions of tunneling delay within one approach, (ii) connects the time to a frequency standard given by a conventional atomic clock that can be boosted by differential light shifts, and (iii) highlights that there exists no superluminal or instantaneous tunneling.