文／簡麗賢

將一顆棒球擲向一道牆，隨即看到球反彈，這是宏觀世界中，以古典力學概念判斷與解釋的現象。然而，這顆棒球是否可能穿牆而過？在微觀的量子世界，這顆棒球若是極小，小到像電子，可能越過牆的能量障礙，穿隧而過。

讀者大概聽過這是電子的「量子穿隧效應」（quantum tunneling），無法以古典牛頓力學思惟，須用電子的波動與粒子二象性（wave-particle duality)解釋的微觀量子現象。

既然是微觀的穿隧效應，在量子物理學中，這些現象比光學顯微鏡所能觀測到的尺度還要小很多。怎樣才能用肉眼觀測到電子的穿隧效應？

物理學界長期關注：「量子效應能夠延伸到多大尺度？」過去人類多在原子或電子等極微觀層次才能看到量子現象，而今「在宏觀系統清晰捕捉量子世界」，絕非南柯一夢，空無虛幻。

2025年諾貝爾物理學獎得主克拉克（John Clarke）、德沃雷（Michel H. Devoret）與馬蒂尼斯（John M. Martinis）師徒三人，在40年前嘔心瀝血設計的晶片超導電路實驗，首次在可手持尺寸的系統中觀測到：宏觀「量子穿隧」與「能量量子化」，用人類肉眼觀測的尺度揭示量子特性，解開科學界長年追問的謎題，為量子科技的未來開啟一扇窗。

超導量子 研究推手



40年悠悠歲月，年逾80歲的克拉克，專長超導電路與低溫物理，被譽為超導量子研究領域的推手，帶領學生孜孜矻矻研究「在電路中發現宏觀量子力學穿隧效應及能量量子化」，共同獲得諾貝爾物理學獎肯定。

宏觀量子力學穿隧效應的發現，證明量子力學的奇特現象，不只存在電子的微觀世界，還能在肉眼可見的宏觀尺度上觀察得到。這項發現為超導量子位元、量子電腦、量子感測器與量子密碼學等尖端技術，奠定深厚的基礎，對未來的量子科技發展再次打開新局。

電子的「量子穿隧」現象是怎麼一回事？電子面對如同能量障礙的一道牆時，即使能量不足以克服障礙，在特定條件仍有一定機率「穿越」這個障礙。電子不是靠蠻力「穿牆而過」，而是在量子世界具有波粒二象性，用機率分布的波函數性質，穿越看似無法穿透的障礙。此量子效應無法用牛頓力學解釋。克拉克師徒以超導體成對的「庫柏電子對」（Cooper pair）形成沒有電阻的電流，透過超導體間很薄的絕緣屏障連接，產生一接面，從晶片超導電路中觀測穿隧現象。

進化思惟 實現穿隧



電子突破位能障礙而發生穿隧現象，早已為人所知。物理學家認為穿隧效應導致某些重原子核以特定方式發生衰變，使原來的原子核轉變為另一種元素。如果沒有穿隧效應，就不可能發生這類核衰變。穿隧效應是一種隱含機率性的過程，有些類型的原子核具有較高的位能障礙，因此粒子需要長時間才能出現穿隧現象，而有些類型的原子核則容易發生衰變。

如果我們觀測單一原子，無法預測何時會發生穿隧；但透過觀測大量同種原子核的衰變行為，可以測量出發生穿隧效應的平均時間，描述此概念即是半衰期，亦即樣品中一半原子核發生衰變所需的時間。

三位物理學家為我們進化新思惟，讓原本看不見、摸不著的微觀境界，變成在低溫實驗室中可見、可測、可識別的宏觀現象，當電子能夠穿越原本不可逾越的能量障礙，當電路能階是一階一階量子化，引領量子物理學進入新「視」界。