新华网科普丨微观粒子的神奇“穿墙”能力 如何改变我们的现代科技？

在肉眼无法触及的穿墙微观深处，量子隧穿赋予粒子一种看似违背常理的新华“穿墙”能力。这并非玄幻魔法，网科微观而是普丨真实存在的量子力学规律，更是神奇半导体、高分辨率显微镜及精密电子器件诞生的何改基石，深深嵌入我们日常使用的变们电子产品之中。

量子穿墙理疗是现代科否有效？芯片微型化的核心驱动力是否源于此？国家级人才、国家重点研发计划首席科学家、穿墙北京航空航天大学教授周苗，新华带你一同揭开量子科技的网科微观奥秘。

什么是普丨量子隧穿？

若置于宏观世界理解：一颗皮球撞击厚实墙壁，若动能不足，神奇必然被弹回，何改绝无可能凭空穿过墙体，变们这是经典物理的基本常识。然而，在微观世界，电子、质子等量子粒子完全不受此规则束缚：即便粒子自身能量不足以翻越势垒，它仍存在一定概率直接穿透障碍物，从一侧抵达另一侧。这种现象被称为量子隧穿，仿佛粒子无视屏障限制，悄然打通了一条看不见的微观隧道。

我们可以将势垒比作一堵密闭高墙：
* 经典粒子如同普通人，力气不够只能碰壁折返；
* 量子粒子在观测前处于量子叠加态，其位置弥散分布在空间各处。一部分概率振幅落在壁垒内侧，另一部分落在外侧，凭借概率优势直接“穿墙而过”。

它既不是粒子挖掘通道，也不是瞬间获得额外能量翻越，而是依托量子特有的概率属性，以特定概率完成对势垒的穿越。

量子隧穿的三大核心特点

1. 能量不足仍能穿墙

宏观物体翻越障碍需具备超过阻碍的能量，否则寸步难行。量子隧穿的反常识之处在于，即便粒子能量低于势垒高度，仍存在穿透概率。势垒越薄、能量差距越小，穿墙成功率越高；反之，势垒越厚、能量差距越大，隧穿概率呈指数级下降，但永远不会完全归零。

2. 概率随机，无法精准预判

当参数完全一致的同一批微观粒子撞击同一块势垒时，有的被反弹，有的顺利穿墙，无固定规律可循。我们只能统计整体穿透概率，无法确定单个粒子的命运。这如同买彩票：无法预知单张彩票是否中奖，却能计算出整体中奖比例。

3. 过程不同于经典运动

粒子隧穿发生在极短时间尺度内，但不遵循经典粒子的匀速穿越规律。粒子在势垒内部没有清晰、可观测的连续行进轨迹，而是通过波函数的延伸与概率分布，在势垒另一侧以一定概率被观测到。

辟谣：量子隧穿能让人穿墙或养生吗？

人体穿墙？不可能。
人体由海量原子通过化学键紧密结合而成。宏观物体所有粒子同步发生隧穿的概率无限趋近于零。从物理规律看，人穿墙根本不可能实现，相关玄幻说法纯属伪科学。

“量子穿墙理疗”“量子破壁养生”？假的。
所有主打“打通经络”“活化细胞”的民用养生产品，与量子隧穿毫无关系。量子隧穿需要严苛的微观势垒环境、极低温度或纳米级超薄壁垒，日常穿戴、饮水类用品根本无法满足这些条件。

藏在生活里的隧穿黑科技，早已走进现实？

量子隧穿并非遥不可及，它已广泛应用于以下领域：

• 隧道二极管：利用电子隧穿效应实现特殊导电特性，早年广泛应用于收音机、稳压电路及高频开关元件，是早期电子工业的核心元器件。
• 扫描隧道显微镜（STM）：核心原理是针尖与样品表面之间的电子隧穿现象。通过监测隧穿电流变化，科学家能绘制出原子级表面图像。这一技术推动了纳米材料与凝聚态物理的发展，也为芯片微型化研发提供了关键支撑。
• 闪存数据擦写：手机、电脑等设备的闪存数据擦写，依赖浮栅结构中的电子隧穿完成电荷迁移。正是这项技术，让大容量、小型化的存储芯片成为现实，奠定了智能手机、固态硬盘普及的基础。

未来量子隧穿的应用前景

随着量子科技迭代，量子隧穿效应正突破原有边界，从服务常规数码产品，转向助力前沿尖端科技，在芯片革新、精密探测、量子计算三大领域解锁全新可能性。

1. 芯片研发：突破制程瓶颈

传统芯片的制程尺寸、性能和功耗已逼近经典物理极限。基于可控量子隧穿技术研发的单电子晶体管，借助电子可控的“穿墙”能力，推动芯片元件向更小尺寸、更高集成度、更低功耗发展，有望彻底突破传统芯片制程瓶颈，为未来高性能芯片提供全新路径。

2. 精密探测：极致灵敏感知

隧穿电流对外部环境细微变化极为敏感，微弱磁场波动或气压变化均可使其显著改变。
* 医疗领域：助力研发超高精度无创监测设备，精准捕捉人脑微弱磁场变化，辅助脑部疾病筛查与生命体征精细化监测。
* 智能科技：制造柔性微型传感器，应用于智能穿戴与仿生机器人，赋予设备媲美人体皮肤的细腻感知能力。
* 导航领域：凭借极致灵敏的磁场感知特性，摆脱GPS依赖，实现地下、室内、隧道等无信号场景的精准定位。
* 环境监测：用于大气污染及微量水质污染物的超低浓度检测，成为环境监测新型工具。

3. 量子计算：构建核心硬件

量子隧穿是部分量子计算硬件中的重要物理机制。通过精准调控电子隧穿的时机、概率与传输路径，可构建可控的量子态和量子器件，提升量子计算系统的稳定性、可控性和集成度。
随着技术进步，量子隧穿有望在量子芯片、新型计算架构中发挥更大作用，推动量子计算从实验室走向实际应用，在药物研发、气象模拟、密码运算、人工智能超级算力等领域释放颠覆性价值。

量子隧穿是微观世界独有的概率奇迹，也是推动现代工业变革的核心物理原理。从方寸芯片到尖端科研仪器，这项隐身于微观世界的“穿墙术”，正持续驱动人类微电子与量子科技不断向前突破。

（作者：刘子明 林雨南 郭晓婷）

(责任编辑：时尚)