中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊，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)，觀測到原子動量可調(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，展示了從量子到經(jīng)典的連續(xù)轉(zhuǎn)變過程。

01

量子悖論的起源

1927年，愛因斯坦設(shè)計了一個實(shí)驗(yàn)：在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，讓單光子通過一個可移動的狹縫。單光子會給狹縫極微弱的反沖動量，若能測出這一反沖便可知光子的路徑（粒子性），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(shí)驗(yàn)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(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，這要求狹縫的動量不確定度小于光子的沖擊動量。

但是，單光子的動量反沖非常微弱，遠(yuǎn)小于宏觀物體的動量不確定度，因此，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。

02

“雕刻”量子

研究團(tuán)隊在量子極限條件下，實(shí)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(yùn)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?/p>

同時，實(shí)驗(yàn)通過靈活調(diào)節(jié)光鑷囚禁勢阱深度，改變了原子狹縫的動量不確定度，并選定一個封閉循環(huán)躍遷，排除了原子內(nèi)態(tài)自由度的干擾。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的干涉，研究團(tuán)隊發(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在納米級別。

▲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)

實(shí)驗(yàn)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)動量波函數(shù)將更寬。因此，經(jīng)過光子反沖后，原子動量波函數(shù)的重疊度提升，導(dǎo)致光子與原子間的糾纏度降低，進(jìn)而使光子干涉對比度得到提高。

同時，實(shí)驗(yàn)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。研究通過校準(zhǔn)和去除這一經(jīng)典噪聲影響后，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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。

研究還實(shí)現(xiàn)主動調(diào)控原子平均聲子數(shù)，觀察到聲子數(shù)增多引起干涉對比度下降，體現(xiàn)了系統(tǒng)從量子到經(jīng)典的過渡特征。

▲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)

03

為未來奠定基礎(chǔ)

該研究在愛因斯坦和玻爾關(guān)于量子基礎(chǔ)的爭論近百年后，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”，在量子極限層面實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦思想實(shí)驗(yàn)，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)糾錯編碼以及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)。

論文鏈接：

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

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責(zé)任編輯：侯茜