量子世界中，粒子是如何穿「牆」而過的？
看過電影《道士下山》的人一定對影片中神奇的「猿擊術」驚嘆不已，想必道士何安下將來肯定技藝超群。中國的道士真有那麼牛么？翻一翻連環畫《勞山道士》，你會發現還有更加神奇的事情——某些道士居然有毫髮無損穿牆而過的道行，簡直太不可思議了！
要知道，對普通人來說，從牆這頭到牆那頭，除了翻牆外別無他法。且莫要沮喪，從物理學的角度來看，「穿牆而過」是可以實現的，只不過並不發生在我們宏觀世界，而是在原子尺度的微觀世界裡。
「天賦異稟」：是波也是粒子
在經典物理中，一個粒子如果想要去「山」那頭，只能是翻山越嶺。而在量子物理中，它完全可以從山腳下打個隧道穿越過去，這個過程稱之為「量子隧穿」。
為什麼微觀粒子可以「穿牆而過」？大多數人更熟悉經典物理描述的世界，對量子世界可能比較陌生。大體來說，量子世界裡的微觀粒子並不像我們在宏觀世界看到的一個個小球，它們除了具有「粒子性」之外，還具有「波動性」。比如，對於微觀世界的一個電子，它既可以像個有體積有質量的粒子一樣和別的微粒發生碰撞，又可以像一束波那樣向前傳播能量甚至繞過障礙物。
具有「波粒二象性」的粒子行蹤捉摸不定，以至於我們只能用它某時在某地出現的概率來描述。也就是說，粒子在山的這頭還是那頭，完全是個概率事件。如果下一時刻，粒子跑到了山那邊，就意味著它發生了「量子隧穿」。
不過，對於微觀粒子而言，穿越雖非幻想，但也不是隨時隨地都行的。即使面對蹦躂一下就能夠得著的「高山」，粒子穿越的概率也一般小於百分之一；如果這座「山」再寬十倍變成厚牆，這個概率立馬會下降到十億分之一甚至更小。如果要讓一大波不同粒子群體同時穿越，可能性基本上是零，這正是宏觀的人類無法穿牆的原因。
好在，微觀世界電子數目多了去了，總有那麼一小撮不安分的傢伙想跑到山那頭去看看風景，於是，被科學家「俘虜」並加以利用。
穿越帶來的第一個神器：掃描隧道電子顯微鏡
科學家是如何利用隧穿電子的呢？如果用原子尺度的針尖去接近材料表面，在無須觸碰到表面原子的情況下，材料表面的電子就可以隧穿到針尖上，通過隧穿過來的電流大小進而得知材料表面電子密度的分布，就像伸手去「觸摸」或「感知」原子一樣。利用這個原理製造出了名為「掃描隧道電子顯微鏡」的神器，具有能夠「看到」原子的火眼金睛，是現代科研常用的尖端儀器之一。
從個體偷渡到成對私奔：庫伯電子對
在一般材料內部，電子都是特立獨行的，它們喜歡自個兒「偷渡」到另一物體里，而懶得理會同伴。但是，如果把兩塊超導材料放在一起，情況就大不同啦！在特定溫度下，超導體電阻會消失為零，其奧秘就在於材料內部的電子之間發生了奇妙的故事——某些能量相同但運動方向相反的電子會擦出愛情的火花而「兩兩配對」。這些超導電子對又被稱為「庫伯電子對」，是以理論預言該現象的物理學家庫伯命名的。
在超導材料內部，存在大量的庫伯電子對，這些幸福的對兒在受到干擾的時候會「互相鼓勵」——如果某一個電子在運動過程能量受到損失，那麼和它配對的那個電子的能量就會增加。因此，作為整體，庫伯對在運動過程中沒有能量損失，也就不會產生電阻，導致超導體的宏觀電阻為零。當電子們都配成對兒後，就像整個班裡的同學都陷入早戀一樣，它們會保持整體步調一致，大伙兒按照共同的節奏行進，物理學上稱之為「相位相干」。
「打群架」打出新神器：超導量子干涉儀
現在，讓我們設想一種新的情況，如果把兩塊超導體靠近，中間隔上一層薄薄的絕緣體，會發生什麼有趣的事情呢？
假設A班的某男生要轉學去B班，那他肯定對自己在A班的女朋友依依不捨，因為B班那邊他一個人都不認識。好吧，那麼乾脆帶著女朋友一起轉學去B班吧！等他們手牽手穿過牆壁，去B班的教室一看，咦？怎麼B班的同學們成雙成對地在慢走呢？步調和自己的根本不協調呢。於是，這對剛剛發現新大陸的同學就回去拉A班裡的其他同學一起過來參觀。兩個步調不一致的班碰到一起，難免要有點磕磕碰碰，於是就發生了物理世界所謂的「干涉」（打群架啦！）。這種超導「庫伯電子對」的集體隧穿，稱之為超導隧道效應。
利用該效應製備出的一種高大上的儀器叫做「超導量子干涉儀」，這種干涉儀具有極高的靈敏度。由於干涉效應的存在，隨著外磁場變化，超導量子干涉儀裡面的電流會出現強度震蕩。哪怕是穿過環間的一根磁通線發生了變化，通過干涉儀的電流強度就會出現響應。
看得見的現實與未來：從諾貝爾獎到超導量子計算機
超導量子隧道效應又被命名為「約瑟夫森效應」，是以其理論預言者英國物理學家約瑟夫森命名的。
約瑟夫森發現超導電子對可以發生隧穿效應，並頂住業內前輩們對這種新奇思想的抗拒，堅持發表了論文。不久之後，超導隧道效應的實驗獲得了成功，「約瑟夫森效應」一詞終於被人接受，約瑟夫森本人也於1973年獲得諾貝爾物理學獎。關於微觀世界電子們手牽手成對兒穿越的故事，從此傳為佳話，開啟了超導應用的新世界。
以超導約瑟夫森效應為原理製作出了很多超導約瑟夫森器件。尤其近年來，超導約瑟夫森器件家族裡冉冉升起了一顆耀眼的新星——超導量子比特。打開你的電腦機箱，就會發現主板上的核心部件——CPU，其原理就是經典半導體比特。
信息技術領域的摩爾定律告訴我們，計算機每秒的運行次數隨著年代在持續增長，但是總有一天會遇到盡頭——因為經典比特里的電路寬度不能無限小，而是會觸碰到量子極限。當集成電路單元越來越小的時候，量子效應的凸顯會讓所有經典電路失效，最後電腦里只能越來越多個核，而不是一個核集成越來越多的電路。
當然，這個臨時解決辦法也會在未來十年里走到絕境。怎麼辦呢？最好的辦法並不是逃避量子效應，而是主動利用量子效應。其中，超導量子比特就是替代經典半導體比特的選擇之一。
量子的世界十分神奇，如粒子隧穿是概率事件一樣奇妙的是，兩個量子放在一起，它們的狀態並不是「1是1、2是2」，而是互相疊加甚至糾纏在一起，體現出更加複雜的量子態，結果是1+1遠大於2。
一個量子比特能攜帶的信息是常規電子計算機裡面經典比特的兩倍，如果N個量子比特和N個經典比特PK，那麼量子比特群能攜帶2的N次方倍的數據量。這是什麼概念？僅僅需要32個量子比特就能存儲4GB的信息量！顯然，量子比特完勝！
利用超導材料製作成的超導量子比特，還具有形式多樣、宏觀尺寸大，以及良好的設計加工自由度，易於集成化規模化等獨特優勢。這意味著，超導量子比特具有非常廣闊的應用空間。更重要的是，由於超導態下電阻為零，超導量子器件是零能耗的，從此再也不用發愁CPU溫度過高的問題了。
如果把超導量子比特組裝成計算元件，就可以造出超導量子計算機。其計算性能也將是現在經典計算機的指數倍。比如說，普通計算機算一年的工作量，在超導量子計算機里也許只需要不到一秒的時間！做一部IMAX高清動畫對於量子計算機來說也就是分分鐘搞定的事兒，未來的美好簡直不敢想像！
不過先別興奮太早，超導量子計算機技術還處在初步階段，離真正的大規模商業推廣還有一定的距離。目前的量子比特系統還十分脆弱，任何調控和測量都會對其產生干擾，而某些小的擾動則可能導致計算錯誤，甚至直接回到「原始社會」——徹底摧毀量子系統。
儘管如此，科學家們也一直在為人類的夢想而努力。新一輪關於超超級計算機的競賽，已經在如火如荼得進行。你，會想加入其中嗎？
（出品：科普中國；製作：超導與航天新戰隊羅會仟；監製：中國科學院計算機網路信息中心；如需轉載請與移動端科普融合創作辦公室mobile@cnic.cn 聯繫。）
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