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量子世界有一条堪称魔法的规则：粒子可以"穿墙而过"。这种叫做量子隧穿的现象，早在近百年前就被物理学家写进教科书，但长期以来，它几乎只属于电子、质子这类极轻粒子的专属技能。

质量越大，隧穿越难，这是量子力学的铁律。

南方科技大学物理系副教授杨兵团队近日打破了这一长期困局。他们在实验中让质量高达608个原子质量单位（约相当于100万个电子质量）的原子团簇成功穿越了势垒，并由此构建出可用于量子精密测量的空间纠缠态。相关成果发表于国际顶级期刊《自然-物理》。

为什么"重"是个大问题

要理解这项工作的突破意义，先得搞清楚量子隧穿为什么那么难。

在经典物理的世界里，一个球滚向一堵墙，能量不够就会被弹回，绝不可能穿过去。但量子力学告诉我们，微观粒子并不是一个精确定位的小球，而是以概率波的形式弥散在空间中，即便"没有足够能量"，它也有一定的概率出现在势垒的另一侧，这就是量子隧穿。

问题在于，这个概率随粒子质量的增加呈指数级暴跌。举个具体的例子：一个动能为1电子伏特的电子，面对高2电子伏特、宽0.1纳米的势垒，隧穿概率约为36%，已经相当可观。而质量仅是电子1836倍的质子，在完全相同的条件下，隧穿概率就骤降至约十的负十四次方，几乎为零。

质量每增加一点，概率就掉一个悬崖。这就是为什么日常宏观世界里，我们从不担心人会"穿墙而过"。

束缚原子团簇：打破指数魔咒的钥匙

杨兵团队的突破，核心在于他们没有试图硬拼这道指数衰减的铁律，而是从根本上改变了游戏规则。

他们利用超冷原子技术，通过精确调控原子间的相互作用，把多个原子"捆绑"成一个束缚团簇，让整个团簇作为一个整体去参与隧穿过程。这套方案的精妙之处在于，团簇内部的相互作用可以抵消质量增大带来的指数压制，使得隧穿强度对质量近似保持不变。换句话说，即便整体质量大幅增加，团簇隧穿的概率也不会像预期那样断崖式下跌。

实验最终观测到的最大团簇质量达到608个原子质量单位，这已经是单原子隧穿实验中粒子质量的数百倍量级。

这一机制的实现，有赖于超冷原子领域近年来高度成熟的精密调控技术。研究人员可以用磁场和激光以接近绝对零度的低温将原子"冻住"，再通过Feshbach共振等手段精确调节原子间的吸引或排斥强度，从而定制出所需的团簇状态。正是这套工具箱，让研究团队得以在实验室里真正"建造"出以往只存在于理论想象中的量子态。

从隧穿到纠缠：一把精密测量的新尺子

让团队更兴奋的，或许不只是隧穿本身，而是隧穿之后发生的事情。

当原子团簇穿越势垒时，它并非简单地"出现在另一侧"，而是形成了一种同时处于势垒两侧的量子叠加状态。团队利用这一过程，构建出了所谓的NOON态，一种高度纠缠的空间量子态。

NOON态是量子精密测量领域的"明星选手"。它的核心优势在于相位灵敏度随粒子数N的增加而增强，突破了经典测量的散粒噪声极限。团队的实验数据表明，单个团簇已实现最高3.4分贝的量子增强。

更令人印象深刻的是集体效应：通过约250个团簇的并行测量，团队实现了对亚微米空间尺度上约1.4赫兹能量差的高精度探测，这一精度已足以感知极其微弱的空间能量变化。

与传统的单原子干涉方案相比，大质量团簇的空间纠缠在探测质量敏感效应方面具有天然优势。引力效应与物体质量直接相关，而大质量量子态对引力场的响应，理论上远比单个轻原子更为显著。这使得该实验平台在探索量子力学与引力理论的交叉地带，具备了切实可行的实验价值。

这项研究的意义，不仅仅是让更重的东西"穿墙而过"。它打开了一扇门，让科学家得以用量子手段去触碰那些此前只能靠经典仪器探测的微弱物理信号，甚至有朝一日，或许能帮助人类在实验桌上检验广义相对论与量子力学能否握手言和。