Đường hầm lượng tử là một hiệu ứng cơ lượng tử mô tả sự chuyển dịch của hệ vật chất từ một trạng thái này sang một trạng thái khác mà thông thường, theo đặc điểm cổ điển của vật lý huyền diệu, không thể xảy ra trong hoàn cảnh đó.
Sự chuyển dịch này xảy ra khi hệ vật chất đi qua một rào cản năng lượng được xem như một đường hầm hình thành bởi các tường năng lượng. Trong vật lý cổ điển, các hạt vàvật chất không thể xoay quanh một rào cản năng lượng với năng lượng thấp hơn mà không cần vượt qua rào cản. Tuy nhiên, trong vật lý cơ lượng tử, các hạt và hệ vật chất có khả năng xuyên qua rào cản năng lượng, tức là đi qua đường hầm lượng tử mà không cần có năng lượng bằng hoặc cao hơn rào cản năng lượng.
Bản chất của hiệu ứng đường hầm lượng tử nằm trong tính chất bất định của các hệ vật chất trong vật lý cơ lượng tử. Theo nguyên lý bất định Heisenberg, khi ta đo đại lượng năng lượng của hệ, ta không thể đo chính xác cả vị trí của hệ. Do đó, tồn tại một xác suất nhỏ nhưng không bằng không để hệ vật chất xuất hiện ở một vị trí trong rào cản dù năng lượng của nó thấp hơn rào cản. Hiển nhiên, xác suất xảy ra hiện tượng này phụ thuộc vào độ dày và độ cao của rào cản năng lượng, cũng như năng lượng của hệ vật chất. Nhưng nhìn chung, hiệu ứng đường hầm lượng tử là một phản ứng không cổ điển và chỉ xảy ra trong vùng đặc biệt của vật lý cơ lượng tử.