量子計算新進展!克萊恩隧穿被證實,粒子100%能穿牆

智東西（公眾號：zhidxcom）
編 | 年年

導語：一項新的研究發現了克萊恩隧穿（Klein tunneling）的直接證據，它能使粒子輕鬆穿過最堅硬的屏障。

智東西7月17日消息，美國一個研究團隊在拓撲絕緣體的研究中偶然發現了可以證明克萊恩隧穿（Klein tunneling）的直接證據。

克萊恩隧穿是1929年瑞典物理學家Oskar Klein在研究勢壘中的電子散射問題時首先預測到的，在非相對論量子隧道理論中，低能粒子穿透高能勢壘的機率永遠不會是100%，而克萊恩隧穿中則認為相對論粒子可以很輕易地穿越又高又寬的勢壘，成功率高達100%。

這個團隊在六硼化釤實驗中，利用完美的雙重電導現象，間接證明了克萊因隧穿的存在。這一證明將進一步推進量子計算機的研發與設計。

▲在Klein隧穿中，帶負電荷的電子（顏色鮮豔的球體）可以完美地穿過一個屏障。

科學美國人（scientificamerican）的這篇報導為我們揭示了克萊恩隧穿直接證據被發現的全過程，並通過其自身允許粒子輕鬆穿越障礙的特性，為我們分析了這項發現對未來量子計算發展的重要作用。

以下為基於原文編譯：

想像你正在行走，遇到一個障礙，比如一座小山或一堵牆。唯一能到達另一邊的方法就是爬到上面再爬過去。但是，如果你有和量子粒子一樣的超能力呢？

量子力學的特殊定律允許粒子有時就像沒有遇到阻礙一樣突破障礙，即使粒子不能爬過路徑上的任何東西。但是，隨著路障越來越高，穿越這些障礙物的挑戰也越來越大，這使得通過這些障礙物的粒子越來越少。然而，一個叫做克萊恩隧穿的量子隧穿改變了遊戲。即使當極高的障礙擋住去路的時候，它也能有效地使屏障透明從而打開允許粒子通過的入口。

近100年前，瑞典物理學家Oskar Klein首次預言了這一現象。然而直到最近，科學家們還只發現了非常有限的跡象。在6月19日發表在《自然》雜誌上的一項研究中，一個跨學科的研究小組提出了克萊恩隧穿的直接證據。

一、來源於拓撲絕緣體研究的偶然發現

該研究並不是第一個直接觀察到這種效應的研究。史丹福大學的物理學家David Goldhaber-Gordon沒有參與這項研究，他說：「克萊因隧穿已經在石墨烯中得到了很好的證明。」

「在那次發現之前，人們並沒有真正考慮過尋找克萊因隧穿的實驗證據並將其公之於眾，」馬裡蘭大學帕克分校的材料科學家和工程師、這項新研究的作者Ichiro Takeuchi說道。

然而，底特律韋恩州立大學的物理學家Boris Nadgorny表示：「與石墨烯研究相比，目前的研究結果更直接。」他說，研究人員還使用了一種「精心設計的實驗裝置」。

荷蘭代爾夫特理工大學卡夫利納米科學研究所的量子納米科學家Teun Klapwijk說：「我會把這稱之為突破，因為這是一種理論上可能會發生的現象，但是必須要有一個可以令人信服地顯示這種現象的實驗系統。」「這個特殊實驗是獨立實驗探索和思考的明顯案例。」

更令人震驚的是，研究人員在實際中並沒有著手去觀察這種現象。「這個項目源於我們對拓撲絕緣體的研究，」馬裡蘭大學的物理學家、該研究的合著者Johnpierre Paglione說。拓撲絕緣體是一種內部絕緣但表面導電的特殊材料。

在過去的幾年裡，他和他的同事研究了一種名為六硼化釤（samarium hexaboride）的材料，並努力證明它是一種拓撲絕緣體。他們正在尋找六硼化釤表現出量子行為的跡象，這是證明材料確實是拓撲絕緣體的一個重要方面。

二、完美雙重電導，粒子輕鬆穿越壁障

研究人員將六硼化釤薄膜放在另一種化合物的頂部，這種化合物在低溫下會變成超導體（可無電阻導電的材料）。當他們把所有東西冷卻到略高於絕對零度幾度（–273.15攝氏度）時，第二種材料就變成了超導體，通過它們的近距離接觸，六硼化釤的金屬表面也變成了超導體。然後，科學家們將一個微小的金屬尖端接觸到六硼化釤的表面，研究電子是如何進入第二種物質的。

在金屬和超導體之間的每一個邊界處，都會發生一種稱為安德列夫反射（Andreev reflection）的特殊類型反射，這是由於超導體中的電子只成對存在。就像三條腿競賽中的兩個人一樣，當一個電子從金屬跳到超導體時，它必須帶上一個「夥伴」。因為電荷必須在系統中保持平衡，所以如果超導體中的一個電子缺少正電荷，那麼就應該有另一個帶負電荷的電子從超導體跳回到金屬。

研究人員通過測量系統的電導來解釋這一現象。如果每一個試圖躍遷到超導體中的電子都成功的話，電導就會加倍。然而，這通常不會發生，因為在大多數情況下，一些電子沒有足夠的能量來進行跳躍。能量較低的電子從金屬和超導體之間的邊界反射出去，使系統的電導超過100%，但不到兩倍。

令研究人員震驚的是，六硼化釤實驗中發生了完美的雙重電導。研究小組帶著這些在反覆試驗中得到了證實的異常結果，找到了馬裡蘭大學的理論物理學家Victor Galitski，他認為克萊恩隧穿允許所有的電子穿過兩種材料之間的物理界面。另一個與電子自旋有關的守恆定律可以阻止那些沒有能量跳過壁壘的電子返回它們來的地方，因此它們「必須穿過隧穿」才能導致電導完全加倍。

「這些激動人心的結果通過實驗證明了正常點接觸之間的完美安德列夫反射」，這種接觸是在微小的金屬尖端和拓撲絕緣體中的鄰近誘導超導體六硼化釤之間進行的，Boris Nadgorny說。「這項研究將這些意想不到的結果與缺乏正常電子散射聯繫起來，這是克萊因隧穿的關鍵表現之一，」他補充道。

Johnpierre Paglione說，既然研究人員已經證明了這一量子特性，他們希望利用他們的發現改進傳統的計算機部件，甚至為未來的量子器件創造材料。他說，利用電子的隧穿能力可以幫助設計「完美的電晶體」，甚至可以解決量子計算機中節點的問題。然而，Teun Klapwijk警告說，「通往應用程式的路徑比它經常出現的要複雜得多」。

結語：新發現或促進量子計算進步

量子計算在近幾年不斷躥紅，並和增強現實技術與人工智慧技術並列為當今世界三大最重要的技術。

美國研究團隊發現的克萊恩隧穿的直接證據，證明了粒子可以輕鬆穿越障礙這一量子特性，這對於量子計算的發展有著重要的作用。

這一發現雖然具有突破性，但是如何促進量子計算進一步的發展，如何突破目前量子計算的壁障還是需要全世界科學界不斷研究的問題。

文章來源：scientificamerican