我國學(xué)者用單原子實現(xiàn)反沖狹縫思想實驗， 終結(jié)愛因斯坦與玻爾世紀之辯

合肥國家實驗室/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等組成的研究團隊，利用光鑷囚禁的量子基態(tài)單原子，首次忠實地實現(xiàn)了1927年愛因斯坦和玻爾爭論中提出的“反沖狹縫”量子干涉思想實驗，觀測到了原子動量可調(diào)諧的干涉對比度漸進變化過程，證明了海森堡極限下的互補性原理，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（editors' suggestion）”的形式2025年12月3日發(fā)表于國際期刊《物理評論快報》。美國物理學(xué)會Physics欄目以“單原子的愛因斯坦狹縫”為題進行專題報道。

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在1927年的第五屆索爾維會議上，愛因斯坦為挑戰(zhàn)玻爾的互補性原理，在雙縫干涉實驗中，設(shè)計讓單光子通過一個可移動的狹縫。愛因斯坦認為，單光子會給狹縫一個極微弱的反沖動量，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（波動性）仍可保留。這一思想實驗直接指向“能否同時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。

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

▲圖1：1927年第五屆索爾維會議合影和愛因斯坦波爾爭論中提出來的思想實驗

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

▲圖2：單光子單原子量子干涉儀實現(xiàn)愛因斯坦思想實驗

實驗結(jié)果表明，隨著光鑷阱深增強，原子受到的空間限制更強，根據(jù)海森堡不確定性原理，其基態(tài)動量波函數(shù)將更寬。所以經(jīng)過光子反沖后，原子動量波函數(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，在實驗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。研究團隊通過校準和去除這一經(jīng)典噪聲影響后，實驗數(shù)據(jù)與原子處于完美基態(tài)（量子極限）時的光子干涉對比度高度吻合。研究組還實現(xiàn)主動調(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。

▲圖3：通過勢阱深度可調(diào)的基態(tài)單原子實現(xiàn)愛因斯坦思想實驗的對比度漸變數(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量敏感的“可移動狹縫”，不僅在量子極限層面忠實實現(xiàn)了愛因斯坦思想實驗，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)，為未來實現(xiàn)大規(guī)模中性原子陣列、壓縮態(tài)糾錯編碼、以及進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)。

審稿人評價該工作是“對量子力學(xué)基礎(chǔ)的重大貢獻”（this is a significant contribution to the foundations of quantum mechanics）、“一個漂亮的實驗”（beautiful experiment）、“一個百年思想實驗的教科書式實現(xiàn)”（a textbook realization of a century old thought experiment）。

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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