關注全球時事|洞察國際風雲
2025-03-18 17:24 星期二

微观粒子的“穿墙”能力 如何改变我们的现代科技?

时间:2026-07-10 16:10 来源:快讯社

  在肉眼无法窥见的微观世界里,量子隧穿赋予粒子一种“合法穿墙”的本领,它并非玄幻的魔法,而是真实存在的量子规律,更是半导体、显微镜与精密电子器件诞生的核心,深深根植于我们日常使用的电子产品之中。量子穿墙理疗是真的吗?芯片越做越小的核心能力是它的“绝活”吗?国家级人才、国家重点研发计划首席科学家、北京航空航天大学教授周苗与我们一同探寻量子科技的奥秘。

  什么是量子隧穿?

  若放在宏观世界理解:一颗皮球撞上厚实墙壁,若动能不足,必然会被墙面弹回,永远不可能凭空穿过墙体,这是经典物理的常识。但在微观世界,电子、质子等量子粒子却完全不守这套规矩:即便粒子自身能量不足以翻越壁垒,依旧存在一定概率直接穿透势垒,从障碍物一侧抵达另一侧,这就是量子隧穿,仿佛粒子无视屏障限制,悄悄打通了一条看不见的微观隧道。

  我们可以把势垒比作一堵密闭高墙:经典粒子如同普通人,力气不够就只能碰壁折返;而量子粒子在观测前处于量子叠加态,位置弥散分布在空间各处,一部分概率落在壁垒内侧,一部分落在壁垒外侧,靠着概率优势直接“穿墙而过”。它既不是粒子慢慢挖洞凿开屏障,也不是瞬间获得额外能量翻越高墙,而是依托量子特有的概率属性,以一定概率完成对势垒的穿越。

  量子隧穿的三大核心特点

  能量不足仍能穿墙:宏观物体若要翻越障碍,必须具备超过障碍物阻碍的能量,能量不足便寸步难行。而量子隧穿的反常识之处在于,即便粒子能量低于势垒高度,仍存在穿透的概率,能量与势垒高度差距越小、势垒越薄,穿墙成功率越高;反之,势垒越厚、能量差距越大,隧穿概率会呈指数式下降,但永远不会完全归零。

  隧穿是概率随机事件,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,有的会被反弹,有的则顺利穿墙,没有固定规律可循,我们只能统计整体穿透概率,无法确定某一个粒子必定穿墙或碰壁。就像买彩票,无法预知单张彩票能否中奖,却能计算出整体中奖比例。

  隧穿过程不同于经典运动:粒子隧穿穿过势垒的过程通常发生在极短时间尺度内,但它并不遵循经典粒子匀速穿越障碍的规律。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。

  量子隧穿能让人穿墙而过吗?

  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。从物理规律来看,人穿墙根本不可能实现,相关玄幻说法全是伪科学。

  “量子穿墙理疗”“量子破壁养生产品”是真的吗?

  所有主打“打通经络”“活化细胞”的民用养生产品,都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,早已走进现实了吗?

  隧道二极管利用电子隧穿效应实现特殊导电特性,早年曾广泛应用于收音机、稳压电路及高频开关元件,是早期电子工业的核心元器件。

  扫描隧道显微镜的核心原理,是针尖与样品表面之间的电子隧穿现象。通过监测隧穿电流的变化,科学家能够绘制出原子级的表面图像,这一技术推动了纳米材料与凝聚态物理的飞速发展,也为芯片微型化研发提供了关键支撑。

  手机、电脑等设备的闪存数据擦写,则依赖浮栅结构中的电子隧穿完成电荷迁移。正是这项隧穿技术,让大容量、小型化的存储芯片成为现实,为智能手机、固态硬盘的普及奠定了基础。

  未来量子隧穿的应用前景

  随着量子科技持续迭代升级,原本广泛应用于传统电子设备的量子隧穿效应,正逐步突破原有应用边界——它不再局限于服务手机、电脑等常规数码产品,更成为助力前沿尖端科技突破的核心关键,在芯片革新、精密探测、量子计算三大领域解锁全新可能性。

  在芯片研发领域,传统芯片的制程尺寸、性能和功耗已逼近经典物理的极限,通过传统工艺进一步缩小体积、提升性能的空间日益收窄。而基于可控量子隧穿技术研发的单电子晶体管,可以借助电子可控的“穿墙”能力,让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的制程瓶颈,为未来微型化、高性能芯片提供全新的技术路径。

  在精密探测领域,量子隧穿效应具有得天独厚的优势:隧穿电流对外部环境的细微变化极为敏感,即使是极其微弱的磁场波动或气压变化,都能使其产生显著改变。在医疗领域,该效应有望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人体生命体征的精细化监测;在智能科技领域,可用于制造柔性微型传感器,应用于智能穿戴设备与仿生机器人,让设备具备媲美人体皮肤的细腻感知能力;在导航领域,凭借其极致灵敏的磁场感知特性,能够摆脱GPS信号依赖,实现地下、室内、隧道等无信号场景的精准定位;此外,它还可用于大气污染及微量水质污染物的超低浓度检测,成为环境监测的新型工具。

  在量子计算领域,量子隧穿是部分量子计算硬件中的重要物理机制之一。通过精准调控电子隧穿的时机、概率与传输路径,可以帮助构建可控的量子态和量子器件,为提升量子计算系统的稳定性、可控性和集成度提供支撑。同时,随着相关技术持续进步,量子隧穿有望在量子芯片、量子器件和新型计算架构中发挥更大作用,推动量子计算从实验室样机逐步走向实际应用,并在药物研发、气象模拟、密码运算、人工智能超级算力等民生与科研领域释放价值,真正展现量子科技的颠覆性潜力。

  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)


外交部:将本着科学原则研究日方关于恢复水产品输华请求
外交部:坚决反对美国向中国台湾地区出售武器
测试视频
综合看点 查看更多>>
利库德集团称以色列阿拉伯裔政党选举舞弊
美联储宣布维持利率不变
刚果(金)埃博拉病例过万 疫情有何焦点
纪念东京审判开庭80周年图片展在纽约联合国总部开展
武契奇承认前进党在塞尔维亚议会选举中败选
纵横天下 查看更多>>
欧盟多国承诺加快释放4260万桶储油以稳定市场
美媒:万斯致信伊朗安全高官试图重启谈判
沙土巴三国高官为何此时突访伊朗
中东战地手记丨橄榄成熟时,巴勒斯坦人坚守土地
以色列议会选举在即 以军在约旦河西岸大举行动
西班牙列车相撞事故死亡人数升至69人
日本自民党副总裁被曝政治资金丑闻
美方坐不住了?卡尼称加美贸易谈判“小幅回暖”
胜选后,卢拉将如何开启第四任期
埃里温观察:在世界遗产地感悟生物多样性保护的意义
加拿大发布20多年来首份国家安全战略
紧急救援中,一场猝不及防的列车相撞惨剧
出口民调:以议会两大阵营均未获过半数席位
美国中期选举将于11月3日举行
日本鹿儿岛县火山喷发 烟雾最高至1800米
中国共产党第二十届中央委员会第五次全体会议公报
中国搜救力量驰援肯尼亚 外国网友点赞“谢谢中国”
牦牛、青稞与镰刀——风雪长征的民族团结印记
中国裁军大使呼吁防止外空军备竞赛和武器化
北京雨燕的三万公里——在COP17中国角读懂候鸟保护的跨国属性
智能消费乘势而上
走近“国家的孩子”丨草原:从他乡到故土
沙海生绿 荒漠精灵重现腾格里沙漠东南缘
外交部:以冷战思维划分阵营不利于北极地区和平稳定发展
中国人民银行发行中国工农红军长征胜利90周年金银纪念币
文脉连两岸 匠心话传承——第十七届海峡两岸文博会启幕
外国驻港领团参访北部都会区 近距离感受北都发展新机遇
香港举办多项活动巩固国际绿色科技及金融枢纽地位
宣讲劳模精神 弘扬劳动价值——全国劳动模范和大国工匠在港交流分享
铭记光复历史 共盼统一梦圆——两岸同胞纪念台湾光复81周年
铁路12306上线新功能 买团体票更方便
西藏巴青:架设安置板房供电线路
台风“蔷琵”向我国靠近 中国气象局启动四级应急响应
熙攘国门“你来我往” 三季度1.92亿人次出入境
西藏山南萨热路跨江大桥全线合龙
推动新能源车险从“政策驱动”走向“法治定型”
全国人大常委会开展海南自由贸易港法执法检查 法治护航海南自由贸易港建设
公安部网安局发布拒不履行信息网络安全管理义务案例
最高人民法院发布《关于审理涉及刑事犯罪的民事纠纷案件若干问题的规定》
司法部:加快推进“AI+普法”建设
河南灵宝:苹果丰收采摘忙
湖南:秋粮收获金秋时
杨凌农高会:果园来了“新帮手” 能摘果 能巡园
“稻乡”黑龙江五常:一粒好米背后的丰收故事
黑龙江垦区推进秋整地 力保耕地“黑色越冬”
河南这三味药,凭什么“出圈”?
优质医疗服务来到家门口
桑拿天比暴晒天更易中暑:藿香正气水、退烧药、掐人中不管用,还会加重病情
“超慢跑”火了,不累还能“暴击”内脏脂肪!还没试过就亏大了
国家卫生健康委关于修改和废止部分部门规章的决定(附解读)
前沿科技 查看更多>>
真实场景“上岗”后 机器人还要过几关
我国再次刷新光通信传输领域世界纪录
民用遥感卫星年均增百颗
天文学家发现三颗“本不该存在”的行星
我国成功发射卫星互联网低轨28组卫星
健康生活 查看更多>>
60秒看国产新一代医用重离子加速器首台示范装置
与AI互动或加重初发精神病患者症状
我国首个智慧货运枢纽领域 国标发布
患者“不用额外付费” 北京“AI医疗产品”临床用量增多
AI赋能 基层医疗数字化提速
实用技术 查看更多>>
一个万卡智算集群构建“超级大脑”
中国科学家创制新的碳纳米带实现高效电子输运
新平台实现电化学反应精准计算机模拟
我国拟新增34家领航级智能工厂
前三季度新动能行业发展加快
科普博览 查看更多>>
坚持AI自主可控与开放合作并举
“蛟龙”号下潜的背后
DREAMS巡梦计划首批巡天数据向全球开放
“人造太阳”离我们有多远
八部门印发规划 推动综合交通枢纽融合发展
第十六届中国摄影艺术节开幕
2026年全国优秀青年杂技人才展演在京亮相
第18届上海国际摄影艺术展览开幕
中国陶瓷工艺出海马来西亚焕新姿
中国舞剧《大湖之灵》在墨西哥城上演
青岛实行“招生考试服务一件事”数字化改革 数据多跑路,考生少跑腿
事关孩子健康 4项新规11月起将正式实施
中国教育学话语传播体系构建推进会召开
2026基础教育创新大会在河南开封举行
神秘古人类丹尼索瓦人有了“形态标识”
绝处逢生 孙心然首进WTA巡回赛八强
2028年洛杉矶奥运会和残奥会口号公布:“群星共耀”
刷新四项亚洲纪录 短池全锦赛又迎突破之夜
这届网球“中国赛季”,凭啥“圈粉”又“吸金”
亚锦赛国乒4金收官 陈熠横扫张本美和女单夺冠
天津中河头村:红色资源赋能乡村振兴
秋日泸沽湖晨韵:云纱轻掩 山水如画
2026年前三季度国内居民出游人次53.07亿
内蒙古:层林铺锦色 秋韵满松山
山西平陆:万亩红叶层林尽染