量子世界中，粒子是如何穿“墙”而过的？

看过电影《道士下山》的人一定对影片中神奇的“猿击术”惊叹不已，想必道士何安下将来肯定技艺超群。中国的道士真有那么牛么？翻一翻连环画《劳山道士》，你会发现还有更加神奇的事情——某些道士居然有毫发无损穿墙而过的道行，简直太不可思议了！

要知道，对普通人来说，从墙这头到墙那头，除了翻墙外别无他法。且莫要沮丧，从物理学的角度来看，“穿墙而过”是可以实现的，只不过并不发生在我们宏观世界，而是在原子尺度的微观世界里。

“天赋异禀”：是波也是粒子

在经典物理中，一个粒子如果想要去“山”那头，只能是翻山越岭。而在量子物理中，它完全可以从山脚下打个隧道穿越过去，这个过程称之为“量子隧穿”。

为什么微观粒子可以“穿墙而过”？大多数人更熟悉经典物理描述的世界，对量子世界可能比较陌生。大体来说，量子世界里的微观粒子并不像我们在宏观世界看到的一个个小球，它们除了具有“粒子性”之外，还具有“波动性”。比如，对于微观世界的一个电子，它既可以像个有体积有质量的粒子一样和别的微粒发生碰撞，又可以像一束波那样向前传播能量甚至绕过障碍物。

具有“波粒二象性”的粒子行踪捉摸不定，以至于我们只能用它某时在某地出现的概率来描述。也就是说，粒子在山的这头还是那头，完全是个概率事件。如果下一时刻，粒子跑到了山那边，就意味着它发生了“量子隧穿”。

不过，对于微观粒子而言，穿越虽非幻想，但也不是随时随地都行的。即使面对蹦跶一下就能够得着的“高山”，粒子穿越的概率也一般小于百分之一；如果这座“山”再宽十倍变成厚墙，这个概率立马会下降到十亿分之一甚至更小。如果要让一大波不同粒子群体同时穿越，可能性基本上是零，这正是宏观的人类无法穿墙的原因。

好在，微观世界电子数目多了去了，总有那么一小撮不安分的家伙想跑到山那头去看看风景，于是，被科学家“俘虏”并加以利用。

穿越带来的第一个神器：扫描隧道电子显微镜

科学家是如何利用隧穿电子的呢？如果用原子尺度的针尖去接近材料表面，在无须触碰到表面原子的情况下，材料表面的电子就可以隧穿到针尖上，通过隧穿过来的电流大小进而得知材料表面电子密度的分布，就像伸手去“触摸”或“感知”原子一样。利用这个原理制造出了名为“扫描隧道电子显微镜”的神器，具有能够“看到”原子的火眼金睛，是现代科研常用的尖端仪器之一。

从个体偷渡到成对私奔：库伯电子对

在一般材料内部，电子都是特立独行的，它们喜欢自个儿“偷渡”到另一物体里，而懒得理会同伴。但是，如果把两块超导材料放在一起，情况就大不同啦！在特定温度下，超导体电阻会消失为零，其奥秘就在于材料内部的电子之间发生了奇妙的故事——某些能量相同但运动方向相反的电子会擦出爱情的火花而“两两配对”。这些超导电子对又被称为“库伯电子对”，是以理论预言该现象的物理学家库伯命名的。

在超导材料内部，存在大量的库伯电子对，这些幸福的对儿在受到干扰的时候会“互相鼓励”——如果某一个电子在运动过程能量受到损失，那么和它配对的那个电子的能量就会增加。因此，作为整体，库伯对在运动过程中没有能量损失，也就不会产生电阻，导致超导体的宏观电阻为零。当电子们都配成对儿后，就像整个班里的同学都陷入早恋一样，它们会保持整体步调一致，大伙儿按照共同的节奏行进，物理学上称之为“相位相干”。

“打群架”打出新神器：超导量子干涉仪

现在，让我们设想一种新的情况，如果把两块超导体靠近，中间隔上一层薄薄的绝缘体，会发生什么有趣的事情呢？

假设A班的某男生要转学去B班，那他肯定对自己在A班的女朋友依依不舍，因为B班那边他一个人都不认识。好吧，那么干脆带着女朋友一起转学去B班吧！等他们手牵手穿过墙壁，去B班的教室一看，咦？怎么B班的同学们成双成对地在慢走呢？步调和自己的根本不协调呢。于是，这对刚刚发现新大陆的同学就回去拉A班里的其他同学一起过来参观。两个步调不一致的班碰到一起，难免要有点磕磕碰碰，于是就发生了物理世界所谓的“干涉”（打群架啦！）。这种超导“库伯电子对”的集体隧穿，称之为超导隧道效应。

利用该效应制备出的一种高大上的仪器叫做“超导量子干涉仪”，这种干涉仪具有极高的灵敏度。由于干涉效应的存在，随着外磁场变化，超导量子干涉仪里面的电流会出现强度震荡。哪怕是穿过环间的一根磁通线发生了变化，通过干涉仪的电流强度就会出现响应。

看得见的现实与未来：从诺贝尔奖到超导量子计算机

超导量子隧道效应又被命名为“约瑟夫森效应”，是以其理论预言者英国物理学家约瑟夫森命名的。

约瑟夫森发现超导电子对可以发生隧穿效应，并顶住业内前辈们对这种新奇思想的抗拒，坚持发表了论文。不久之后，超导隧道效应的实验获得了成功，“约瑟夫森效应”一词终于被人接受，约瑟夫森本人也于1973年获得诺贝尔物理学奖。关于微观世界电子们手牵手成对儿穿越的故事，从此传为佳话，开启了超导应用的新世界。

以超导约瑟夫森效应为原理制作出了很多超导约瑟夫森器件。尤其近年来，超导约瑟夫森器件家族里冉冉升起了一颗耀眼的新星——超导量子比特。打开你的电脑机箱，就会发现主板上的核心部件——CPU，其原理就是经典半导体比特。

信息技术领域的摩尔定律告诉我们，计算机每秒的运行次数随着年代在持续增长，但是总有一天会遇到尽头——因为经典比特里的电路宽度不能无限小，而是会触碰到量子极限。当集成电路单元越来越小的时候，量子效应的凸显会让所有经典电路失效，最后电脑里只能越来越多个核，而不是一个核集成越来越多的电路。

当然，这个临时解决办法也会在未来十年里走到绝境。怎么办呢？最好的办法并不是逃避量子效应，而是主动利用量子效应。其中，超导量子比特就是替代经典半导体比特的选择之一。

量子的世界十分神奇，如粒子隧穿是概率事件一样奇妙的是，两个量子放在一起，它们的状态并不是“1是1、2是2”，而是互相叠加甚至纠缠在一起，体现出更加复杂的量子态，结果是1+1远大于2。

一个量子比特能携带的信息是常规电子计算机里面经典比特的两倍，如果N个量子比特和N个经典比特PK，那么量子比特群能携带2的N次方倍的数据量。这是什么概念？仅仅需要32个量子比特就能存储4GB的信息量！显然，量子比特完胜！

利用超导材料制作成的超导量子比特，还具有形式多样、宏观尺寸大，以及良好的设计加工自由度，易于集成化规模化等独特优势。这意味着，超导量子比特具有非常广阔的应用空间。更重要的是，由于超导态下电阻为零，超导量子器件是零能耗的，从此再也不用发愁CPU温度过高的问题了。

如果把超导量子比特组装成计算元件，就可以造出超导量子计算机。其计算性能也将是现在经典计算机的指数倍。比如说，普通计算机算一年的工作量，在超导量子计算机里也许只需要不到一秒的时间！做一部IMAX高清动画对于量子计算机来说也就是分分钟搞定的事儿，未来的美好简直不敢想象！

不过先别兴奋太早，超导量子计算机技术还处在初步阶段，离真正的大规模商业推广还有一定的距离。目前的量子比特系统还十分脆弱，任何调控和测量都会对其产生干扰，而某些小的扰动则可能导致计算错误，甚至直接回到“原始社会”——彻底摧毁量子系统。

尽管如此，科学家们也一直在为人类的梦想而努力。新一轮关于超超级计算机的竞赛，已经在如火如荼得进行。你，会想加入其中吗？

（出品：科普中国；制作：超导与航天新战队罗会仟；监制：中国科学院计算机网络信息中心；如需转载请与移动端科普融合创作办公室mobile@cnic.cn 联系。）

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发表于 2015-09-18 00:00
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