12 月 3 日消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)今日官宣，該校潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等組成的研究團(tuán)隊(duì)，利用光鑷囚禁的量子基態(tài)單原子，首次忠實(shí)地實(shí)現(xiàn)了 1927 年愛因斯坦和玻爾爭論中提出的“反沖狹縫”量子干涉思想實(shí)驗(yàn)，觀測到了原子動(dòng)量可調(diào)諧的干涉對比度漸進(jìn)變化過程，證明了海森堡極限下的互補(bǔ)性原理，并展示了從量子到經(jīng)典的連續(xù)轉(zhuǎn)變過程。

相關(guān)成果以編輯推薦的形式 2025 年 12 月 3 日發(fā)表于國際期刊《物理評論快報(bào)》。美國物理學(xué)會 Physics 欄目以“單原子的愛因斯坦狹縫”為題進(jìn)行專題報(bào)道。

在 1927 年的第五屆索爾維會議上，愛因斯坦為挑戰(zhàn)玻爾的互補(bǔ)性原理，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)讓單光子通過一個(gè)可移動(dòng)的狹縫。愛因斯坦認(rèn)為，單光子會給狹縫一個(gè)極微弱的反沖動(dòng)量，若能測出這一反沖即可知道光子的路徑（粒子性），而只要狹縫位置足夠精確，干涉條紋（波動(dòng)性）仍可保留。這一思想實(shí)驗(yàn)直接指向“能否同時(shí)獲得波與粒子的完整信息”，被視為量子力學(xué)最深刻的悖論之一。

實(shí)現(xiàn)這一思想實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于測量有效的反沖信號，這就要求狹縫的動(dòng)量不確定度要小于光子的沖擊動(dòng)量。然而，由于單光子的動(dòng)量反沖非常微弱（~10-27kg?m/s），遠(yuǎn)小于宏觀物體的動(dòng)量不確定度。所以，愛因斯坦的這一巧妙的思想實(shí)驗(yàn)在過去近百年仍停留在“思想”層面。

▲ 單光子單原子量子干涉儀實(shí)現(xiàn)愛因斯坦思想實(shí)驗(yàn)

研究組在量子極限條件下實(shí)現(xiàn)了最靈敏的“可移動(dòng)狹縫”：利用光鑷囚禁的單個(gè)銣原子作為“可移動(dòng)狹縫”，使用拉曼邊帶冷卻技術(shù)將原子制備至三維運(yùn)動(dòng)基態(tài)，使其動(dòng)量不確定性下降至與單光子動(dòng)量相當(dāng)?shù)乃健Ｍ瑫r(shí)，實(shí)驗(yàn)可以通過靈活地調(diào)節(jié)光鑷囚禁勢阱深度，來改變原子狹縫的動(dòng)量不確定度。實(shí)驗(yàn)選定一個(gè)封閉循環(huán)躍遷，排除了原子內(nèi)態(tài)自由度的干擾。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的干涉，研究組發(fā)展了主動(dòng)反饋鎖相技術(shù)，將原子熒光的干涉路徑抖動(dòng)控制到了納米級別。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著光鑷阱深增強(qiáng)，原子受到的空間限制更強(qiáng)，根據(jù)海森堡不確定性原理，其基態(tài)動(dòng)量波函數(shù)將更寬。所以經(jīng)過光子反沖后，原子動(dòng)量波函數(shù)的重疊度增加，導(dǎo)致光子與原子間的糾纏度降低，從而使得光子干涉對比度提高。此外，在實(shí)驗(yàn)中觀察到的干涉對比度下降，部分由原子加熱（經(jīng)典噪聲）引起。研究團(tuán)隊(duì)通過校準(zhǔn)和去除這一經(jīng)典噪聲影響后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與原子處于完美基態(tài)（量子極限）時(shí)的光子干涉對比度高度吻合。研究組還實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)控原子平均聲子數(shù)，觀察到聲子數(shù)增多引起的干涉對比度的下降，展現(xiàn)了系統(tǒng)從量子到經(jīng)典的過渡。

▲ 通過勢阱深度可調(diào)的基態(tài)單原子實(shí)現(xiàn)愛因斯坦思想實(shí)驗(yàn)的對比度漸變數(shù)據(jù)

該工作在愛因斯坦和玻爾關(guān)于量子基礎(chǔ)的爭論近百年之后，首次利用基態(tài)單原子作為對單光子動(dòng)量敏感的“可移動(dòng)狹縫”，不僅在量子極限層面忠實(shí)實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦思想實(shí)驗(yàn)，而且發(fā)展了高精度單原子操控、單原子-單光子糾纏和干涉等精密量子技術(shù)，為未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模中性原子陣列、壓縮態(tài)糾錯(cuò)編碼、以及進(jìn)一步探索消相干和量子到經(jīng)典過渡等基礎(chǔ)問題奠定了基礎(chǔ)。

審稿人評價(jià)該工作是“對量子力學(xué)基礎(chǔ)的重大貢獻(xiàn)”（this is a significant contribution to the foundations of quantum mechanics）、“一個(gè)漂亮的實(shí)驗(yàn)”（beautiful experiment）、“一個(gè)百年思想實(shí)驗(yàn)的教科書式實(shí)現(xiàn)”（a textbook realization of a century old thought experiment）。

論文第一作者是研究生張宇宸、程浩文、曾許曌秋。研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、安徽省、上海市和新基石科學(xué)基金會等的支持。

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/93zb-lws3