微觀粒子的“穿墻”能力 如何改變我們的現代科技？

在肉眼無法窺見的微觀世界里，量子隧穿賦予粒子一種“合法穿墻”的本領，它并非玄幻的魔法，而是真實存在的量子規律，更是半導體、顯微鏡與精密電子器件誕生的核心，深深根植于我們日常使用的電子產品之中。量子穿墻理療是真的嗎？芯片越做越小的核心能力是它的“絕活”嗎？國家級人才、國家重點研發計劃首席科學家、北京航空航天大學教授周苗與我們一同探尋量子科技的奧秘。

　　什么是量子隧穿？

　　若放在宏觀世界理解：一顆皮球撞上厚實墻壁，若動能不足，必然會被墻面彈回，永遠不可能憑空穿過墻體，這是經典物理的常識。但在微觀世界，電子、質子等量子粒子卻完全不守這套規矩：即便粒子自身能量不足以翻越壁壘，依舊存在一定概率直接穿透勢壘，從障礙物一側抵達另一側，這就是量子隧穿，仿佛粒子無視屏障限制，悄悄打通了一條看不見的微觀隧道。

　　我們可以把勢壘比作一堵密閉高墻：經典粒子如同普通人，力氣不夠就只能碰壁折返；而量子粒子在觀測前處于量子疊加態，位置彌散分布在空間各處，一部分概率落在壁壘內側，一部分落在壁壘外側，靠著概率優勢直接“穿墻而過”。它既不是粒子慢慢挖洞鑿開屏障，也不是瞬間獲得額外能量翻越高墻，而是依托量子特有的概率屬性，以一定概率完成對勢壘的穿越。

　　量子隧穿的三大核心特點

　　能量不足仍能穿墻：宏觀物體若要翻越障礙，必須具備超過障礙物阻礙的能量，能量不足便寸步難行。而量子隧穿的反常識之處在于，即便粒子能量低于勢壘高度，仍存在穿透的概率，能量與勢壘高度差距越小、勢壘越薄，穿墻成功率越高；反之，勢壘越厚、能量差距越大，隧穿概率會呈指數式下降，但永遠不會完全歸零。

　　隧穿是概率隨機事件，無法精準預判：當參數完全一致的同一批微觀粒子撞擊同一塊勢壘時，有的會被反彈，有的則順利穿墻，沒有固定規律可循，我們只能統計整體穿透概率，無法確定某一個粒子必定穿墻或碰壁。就像買彩票，無法預知單張彩票能否中獎，卻能計算出整體中獎比例。

　　隧穿過程不同于經典運動：粒子隧穿穿過勢壘的過程通常發生在極短時間尺度內，但它并不遵循經典粒子勻速穿越障礙的規律。粒子在勢壘內部沒有清晰、可觀測的連續行進軌跡，而是通過波函數的延伸與概率分布，在勢壘另一側以一定概率被觀測到。

　　量子隧穿能讓人穿墻而過嗎？

　　人體由海量原子通過化學鍵緊密結合而成，宏觀物體所有粒子同步發生隧穿的概率無限趨近于零。從物理規律來看，人穿墻根本不可能實現，相關玄幻說法全是偽科學。

　　“量子穿墻理療”“量子破壁養生產品”是真的嗎？

　　所有主打“打通經絡”“活化細胞”的民用養生產品，都與量子隧穿毫無關系。量子隧穿需要嚴苛的微觀勢壘環境、極低溫度或納米級超薄壁壘，日常穿戴、飲水類用品根本無法滿足這些條件。

　　藏在生活里的隧穿黑科技，早已走進現實了嗎？

　　隧道二極管利用電子隧穿效應實現特殊導電特性，早年曾廣泛應用于收音機、穩壓電路及高頻開關元件，是早期電子工業的核心元器件。

　　掃描隧道顯微鏡的核心原理，是針尖與樣品表面之間的電子隧穿現象。通過監測隧穿電流的變化，科學家能夠繪制出原子級的表面圖像，這一技術推動了納米材料與凝聚態物理的飛速發展，也為芯片微型化研發提供了關鍵支撐。

　　手機、電腦等設備的閃存數據擦寫，則依賴浮柵結構中的電子隧穿完成電荷遷移。正是這項隧穿技術，讓大容量、小型化的存儲芯片成為現實，為智能手機、固態硬盤的普及奠定了基礎。

　　未來量子隧穿的應用前景

　　隨著量子科技持續迭代升級，原本廣泛應用于傳統電子設備的量子隧穿效應，正逐步突破原有應用邊界——它不再局限于服務手機、電腦等常規數碼產品，更成為助力前沿尖端科技突破的核心關鍵，在芯片革新、精密探測、量子計算三大領域解鎖全新可能性。

　　在芯片研發領域，傳統芯片的制程尺寸、性能和功耗已逼近經典物理的極限，通過傳統工藝進一步縮小體積、提升性能的空間日益收窄。而基于可控量子隧穿技術研發的單電子晶體管，可以借助電子可控的“穿墻”能力，讓芯片元件向更小尺寸、更高集成度、更低功耗發展，有望徹底突破傳統芯片的制程瓶頸，為未來微型化、高性能芯片提供全新的技術路徑。

　　在精密探測領域，量子隧穿效應具有得天獨厚的優勢：隧穿電流對外部環境的細微變化極為敏感，即使是極其微弱的磁場波動或氣壓變化，都能使其產生顯著改變。在醫療領域，該效應有望助力研發超高精度無創監測設備，精準捕捉人腦微弱磁場變化，輔助腦部疾病篩查與人體生命體征的精細化監測；在智能科技領域，可用于制造柔性微型傳感器，應用于智能穿戴設備與仿生機器人，讓設備具備媲美人體皮膚的細膩感知能力；在導航領域，憑借其極致靈敏的磁場感知特性，能夠擺脫GPS信號依賴，實現地下、室內、隧道等無信號場景的精準定位；此外，它還可用于大氣污染及微量水質污染物的超低濃度檢測，成為環境監測的新型工具。

　　在量子計算領域，量子隧穿是部分量子計算硬件中的重要物理機制之一。通過精準調控電子隧穿的時機、概率與傳輸路徑，可以幫助構建可控的量子態和量子器件，為提升量子計算系統的穩定性、可控性和集成度提供支撐。同時，隨著相關技術持續進步，量子隧穿有望在量子芯片、量子器件和新型計算架構中發揮更大作用，推動量子計算從實驗室樣機逐步走向實際應用，并在藥物研發、氣象模擬、密碼運算、人工智能超級算力等民生與科研領域釋放價值，真正展現量子科技的顛覆性潛力。

　　量子隧穿是微觀世界獨有的概率奇跡，也是推動現代工業變革的核心物理原理，從方寸芯片到尖端科研儀器，這項隱身于微觀世界的“穿墻術”，正持續驅動人類微電子與量子科技不斷向前突破。（作者：劉子明 林雨南 郭曉婷）

來源：新華網