IAE 2022.07.05

太陽的核心溫度為 1500 萬攝氏度(2700 萬華氏度),其溫度足以將氣體轉化為等離子體。 但熱力學不足以解釋在這些溫度下的核聚變。 它需要量子隧穿!

例如,我們通常不能穿過堅固的牆壁。 但在量子尺度上,當一個粒子遇到一個看似不可逾越的障礙時,它有時可以穿過另一邊——這一過程被稱為量子隧穿。

The Sun can’t work without Quantum Tunneling

我們在量子隧穿中進行了突破性的“速度測試”,這就是令人興奮的原因

當你在量子尺度上處理事物時,事物非常小,與我們的日常經驗相比,世界是相當模糊和奇異的。

儘管量子隧穿現象得到了很好的研究和利用,但物理學家仍然缺乏對它的全面了解,尤其是在其動力學方面。

如果我們能夠利用隧道的動力學——例如,用它來攜帶更多信息——它可能會給我們一個新的處理未來量子技術的方法。

隧道速度測試

實現這一目標的第一步是測量隧道過程的速度。 這不是一個簡單的壯舉,因為測量所涉及的時間尺度非常小。

對於幾十億分之一米大小的能量屏障,如我們的實驗中一樣,一些物理學家計算出隧道過程大約需要一百阿秒(1阿秒是十億分之一秒)。

換個角度來看,如果將阿秒延長到一秒,那麼一秒就等於宇宙的年齡。

估計的時間非常小,以至於它們以前被視為幾乎是瞬時的。 因此,對於我們的實驗,我們需要一個能夠以極高的準確性和精度為這些事件計時的時鐘。

超快激光系統的技術進步使我們能夠在格里菲斯大學量子動力學中心的澳大利亞阿托秒科學設施實施這樣的時鐘。

實驗中的時鐘不是機械的或電子的,而是超快激光脈衝的旋轉電場矢量。

光只是由快速變化的電場和磁場組成的電磁輻射。 我們使用這個快速變化的場來誘導原子氫中的隧道效應,並作為秒錶來測量它何時結束。

多快?

選擇使用原子氫(它只是一個電子和一個質子的束縛對)避免了其他原子產生的複雜性,從而更容易明確地比較和解釋結果。

我們測量的隧道時間被發現不超過 1.8 阿秒,比一些理論預測的要小得多。這種測量要求我們對隧道動力學的理解進行認真的重新考慮。

各種理論估計了一系列隧穿時間——從零到數百阿秒——物理學家對於哪種理論估計是正確的並沒有達成共識。

分歧的一個基本原因在於量子力學中的時間概念。由於量子不確定性,粒子進入或離開屏障的時間沒有絕對的確定性。

但是像我們這樣的實驗,在簡單系統上使用精確測量,可以指導我們完善對這些時代的理解

下一個技術

技術世界的量子飛躍通常植根於對基礎科學的探索。

融合了許多量子特徵(例如疊加和糾纏)的未來量子技術將引發技術專家所說的“第二次量子革命”。

通過充分理解最簡單的原子隧穿事件的量子動力學——一個質子和一個電子——我們已經表明,可以依靠某些類型的理論來給出正確的答案,而其他類型的理論卻失敗了。

這使我們對將哪些理論應用於其他更複雜的系統充滿信心。

阿秒級的測量不僅為未來的量子技術增加了一個額外的維度,而且可以從根本上幫助理解量子房間的大象:時間是什麼?