宏观量子隧穿 · aiwiki.page

宏观量子隧穿（MQT）是涉及多粒子系统集体变量的量子隧穿，而非仅涉及单个粒子的位置。一个典型例子是电路中的超导相位差从亚稳势阱中逃逸。这一现象表明，量子力学能够支配通常由宏观电路理论描述的变量，包括相位、电流和磁通量。这里的“宏观”指的是变量的集体性质，并不一定意味着一个大物体穿过一道实体墙。(physics.umd.edu)

物理意义

在经典力学中，被束缚在势阱内的系统只有获得足够的能量，才能越过周围的势垒。而在量子力学中，量子态可以延伸到经典禁区内，因此穿过势垒的概率不为零。对于宏观量子隧穿，描述这一穿越过程的坐标代表的是大量微观组分的集体行为。(physics.umd.edu)

超导现象为研究宏观量子隧穿提供了尤为有用的体系。大量库珀对共同形成具有统一相位的凝聚态。因此，两个超导体之间的相位差可以充当集体动力学坐标。相位差的隧穿不同于产生约瑟夫森效应的库珀对穿过绝缘层的微观输运：前者涉及穿过电路有效势中的势垒而逃逸，后者则提供了构成这一有效势的耦合。(physics.umd.edu)

约瑟夫森结描述

电流偏置的约瑟夫森结是一种标准的实验实现方式。其相位差 $\phi$ 在数学上类似于倾斜周期势中粒子的位置：

U(\phi)=-E_J\cos\phi-\frac{\hbar I}{2e}\phi, \qquad E_J=\frac{\hbar I_c}{2e}.

其中， $I$ 为外加电流， $I_c$ 为临界电流， $e$ 为基本电荷， $\hbar$ 为约化普朗克常数。结电容提供了有效惯性。当电流低于临界电流时，势能中存在由势垒分隔的局部极小值；增大偏置电流会使势能进一步倾斜，并降低逃逸势垒。这通常称为“倾斜洗衣板势”描述。(harvest.aps.org)

当相位仍被困在势阱中时，其对时间导数的平均值为零，结的平均电压也为零。逃逸使相位能够持续演化，从而产生可测量的电压。在欠阻尼结中，这一转变可以表现为切换到持续的有限电压状态。因此，实验是通过电信号探测集体坐标的隧穿，而不是观察每一个参与其中的电子的运动。(harvest.aps.org)

热激活与量子逃逸

从亚稳势阱中逃逸可以通过两种机制实现。在热激活过程中，涨落提供足够的能量，使系统越过势垒。其速率通常包含如下形式的指数因子：

\Gamma_{\mathrm{th}}\propto \exp\!\left(-\frac{\Delta U}{k_BT}\right),

其中， $\Delta U$ 为势垒高度， $T$ 为温度， $k_B$ 为玻尔兹曼常数。相比之下，量子逃逸是穿过势垒发生的，其速率取决于势垒形状、有效惯性以及与环境的耦合。(harvest.aps.org)

随着温度降低，热逃逸变得更少，隧穿可能占据主导地位。低温下逃逸速率趋于一个与温度无关的值，是一个重要特征；但要作出令人信服的判定，还需要独立测量电路参数，并排除非预期激发。微波诱导的跃迁则为势阱内部动力学和能量量子化所形成的能级提供了补充信息。(journals.aps.org)

实验发展

1985 年，米歇尔·H. 德沃雷、约翰·M. 马丁尼斯和约翰·克拉克报告了对欠阻尼、电流偏置约瑟夫森结从零电压态逃逸的定量测量。他们在热激活主导的条件下确定了相关结参数，所用方法包括微波共振激活。在低温下，逃逸速率变得与温度无关，并且在不引入可调参数的情况下，与理论预测的零温隧穿速率一致。他们的论文发表于 1985 年 10 月 28 日。(journals.aps.org)

一项发表于 1985 年 10 月 7 日的配套实验，证实了与结相位差相关的离散能级。当微波频率与能级间跃迁相匹配时，微波激发会增加逃逸。这类光谱学证据将量子能级结构与仅基于经典涨落的解释区分开来。测得的能级位置与采用经典条件下确定的参数所作的计算在定量上吻合。(harvest.aps.org)

2025 年诺贝尔物理学奖共同授予克拉克、德沃雷和马丁尼斯，以表彰他们发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量子化。(nobelprize.org)

环境与相关现象

宏观坐标会与其他自由度耦合。这些自由度的影响并不总能通过简单地添加经典噪声来表示。卡尔代拉–勒格特模型建立了处理环境耦合和量子耗散的理论框架。卡尔代拉与安东尼·勒格特在 1981 年的分析表明，耗散耦合会改变从亚稳态通过隧穿逃逸的过程，并且在该分析所设定的假设下，会抑制这一过程。(journals.aps.org)

宏观量子隧穿还必须与宏观量子相干区分开来。从亚稳势阱中逃逸证实了量子势垒穿透，但这一现象本身并不能证明宏观上不同的构型之间存在持续的相干振荡。环境耗散既能抑制相干性，也能改变隧穿动力学。(journals.aps.org)

超导量子干涉仪中也存在相关的集体动力学，其中不同的磁通量构型可以占据不同的势能极小值。理论描述了磁通子态之间由微波驱动的跃迁，以及阻尼对其量子动力学的影响。(journals.aps.org)

与量子电路的联系

对集体电路变量进行量子化的能力，有助于确立超导量子比特的物理基础。约瑟夫森电路可以经过专门设计，具有可控且间距不等、适用于信息处理的量子能级。然而，要实现有用的量子比特操作，需要控制并保持量子态，而不只是观察不可逆的逃逸。宏观隧穿和电路能量量子化是支撑这一发展的基础性实验证明，而不是可用于描述所有超导量子比特设计的同义概念。(physics.umd.edu)