2026年4月30日——耶鲁大学、谷歌及加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员共同开发出一种设备，可模拟化学过程中质子的量子“隧穿”行为。这一过程极为普遍，从光合作用到人类DNA的形成，几乎所有生命活动都离不开它。

这项突破有望为多个学科的研究人员提供助力，包括新型太阳能燃料、药物及材料的开发。相关成果已发表在《PRX Quantum》期刊上。

量子隧穿是一种粒子（如电子或质子）穿过其本应没有足够能量跨越的能量势垒的机制。

“该团队的系统非常纯净且可控，能够解析此前未知的极其微妙的量子隧穿效应，”共同第一作者罗德里戈·科尔蒂尼亚斯（音译）表示。他曾在耶鲁大学从事博士后研究，现任职于加州圣塔芭芭拉的谷歌量子人工智能实验室。“这项实验揭示了可能对化学系统有重要影响的规律。”

论文的其他共同第一作者包括：耶鲁大学前研究生、现任职于加州大学圣塔芭芭拉分校的马克斯·谢弗（音译），以及耶鲁大学前访问研究员亚历杭德罗·克罗斯·卡里略·德阿尔沃诺斯（音译）。

在DNA中，质子可通过量子隧穿过程在碱基对（构成DNA双螺旋结构的基本单元）内的位置间移动。这一过程在经典物理学中没有对应物，但已知会受到发生该过程的结构中某些因素的影响，如势垒高度和不对称性。

在这项新研究中，研究人员构建了一个超导量子电路，再现了化学中存在的结构，并允许用户调整设备的势垒高度和不对称性。

“当科学家研究化学和生物反应时，通常很难、很慢且成本高昂地调整问题的某一部分而不同时改变其他许多因素，”谢弗说。“可控的量子模拟器为研究DNA中的隧穿等问题提供了更清晰的方法。”

这项研究源于耶鲁大学诺贝尔物理学奖得主米歇尔·德沃雷（音译）和化学家维克托·巴蒂斯塔（音译）实验室的工作。德沃雷是耶鲁大学弗雷德里克·W·贝内克应用物理学名誉教授、加州大学圣塔芭芭拉分校伊苏尔迪亚加物理学教授，以及谷歌量子人工智能实验室（圣塔芭芭拉）首席科学家；巴蒂斯塔是耶鲁大学文理学院约翰·甘布尔·柯克伍德化学教授、耶鲁西校区能源科学研究所成员，以及模块化量子器件量子动力学中心前主任。

德沃雷和巴蒂斯塔均为耶鲁量子研究所成员，长期以来一直寻求将量子计算研究和硬件应用于化学领域。质子转移反应——巴蒂斯塔研究了数十年的课题——位居研究清单之首。

“将质子放置在正确的位置对于准确描述化学系统至关重要，”巴蒂斯塔说。“直到现在，所有这些关于质子化的研究都涉及某种形式的近似。”

新研究还揭示了量子质子转移中两种意想不到的机制细节：质子化的活化速率变化剧烈，呈现振荡模式；即使电路势垒之间存在轻微不平衡，也可能显著减缓该过程。

研究人员表示，理解这些机制将有助于在化学生物学、无机化学和催化研究的广泛范围内更精确地模拟反应。

“该项目展示了现代量子研究正变得日益跨学科，”德阿尔沃诺斯说。“像该团队这样利用超导电路创建的平台，如今正被用于研究化学和生物学中同样重要的问题。”

该研究由美国陆军研究办公室资助。