|作者：張宇宸1,2,3　陳明城1,2,3,?　陸朝陽1,2,3,?　潘建偉1,2,3,?

(1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系 合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心 新基石科學(xué)實(shí)驗(yàn)室）

(2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 上海量子科學(xué)研究中心 中國科學(xué)院量子信息與量子前沿卓越創(chuàng)新中心）

(3 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥國家實(shí)驗(yàn)室）

本文選自《物理》2026年第1期

在1927年第五屆索爾維會議上，愛因斯坦與玻爾關(guān)于量子力學(xué)本質(zhì)的辯論對物理學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[1]。為了挑戰(zhàn)玻爾提出的“互補(bǔ)原理”(即微觀粒子的波動性與粒子性不可兼得)，愛因斯坦提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：在雙縫干涉裝置中，其中一個(gè)狹縫可以自由移動，當(dāng)光子穿過時(shí)會給狹縫一個(gè)微弱的反沖(圖1(a))，若能測出該反沖，即可獲得光子的路徑信息(粒子性)；同時(shí)，如果干涉條紋(波動性)依然存在，則意味著互補(bǔ)原理的局限性。

圖1　愛因斯坦—玻爾思想實(shí)驗(yàn)的概念及其實(shí)現(xiàn) (a)具有可移動狹縫的單光子干涉示意圖。當(dāng)光子在狹縫處發(fā)生散射時(shí)，其路徑與狹縫的動量發(fā)生糾纏；(b)本工作的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)：將利用光鑷捕獲并冷卻至量子基態(tài)的單原子作為可移動的量子狹縫。單原子的動量不確定性可通過光學(xué)手段調(diào)節(jié)至與單光子動量相當(dāng)；(c)在這種糾纏的光子—狹縫系統(tǒng)中，干涉可見度取決于狹縫動量態(tài)的重疊程度

然而，這一思想實(shí)驗(yàn)的物理實(shí)現(xiàn)面臨巨大挑戰(zhàn)。這是因?yàn)閱喂庾赢a(chǎn)生的反沖動量極其微弱(約10-27 kg·m/s)，遠(yuǎn)小于宏觀狹縫因海森伯不確定性原理所產(chǎn)生的動量抖動。例如，質(zhì)量為1克以100 kHz頻率振動的物體，其基態(tài)動量不確定性比單光子動量高出約11個(gè)數(shù)量級。盡管過去幾十年間已有多種實(shí)驗(yàn)嘗試[2—13]，但始終未能完全復(fù)現(xiàn)愛因斯坦思想中的理想場景——即構(gòu)建一個(gè)具有純粹單光子反沖響應(yīng)且參數(shù)可調(diào)的線性光學(xué)干涉儀。

最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種新方案[14]，他們利用單個(gè)原子來構(gòu)建這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的“可移動狹縫”：即利用一束高度聚焦的激光(即光鑷)在真空中“抓住”了一個(gè)銣原子(87Rb)，將它打造成了極端靈敏的“可移動狹縫”(圖1(b))。

為了使原子狹縫能夠感知單光子的微弱推力，實(shí)驗(yàn)必須將原子的動量不確定性壓縮至量子極限，團(tuán)隊(duì)采用三維拉曼邊帶冷卻技術(shù)達(dá)到了此極限。首先針對光鑷系統(tǒng)軸向束縛較弱(約40 kHz)的挑戰(zhàn)，研究人員設(shè)計(jì)了特殊的冷卻光路，利用兩束與軸向成60°夾角的拉曼光，成功將原子冷卻至接近振動基態(tài)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，原子軸向基態(tài)占據(jù)率達(dá)
，徑向基態(tài)占比率達(dá)0.99±0.01。此時(shí)，原子的動量不確定性Δ

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k

此外，為了確保干涉儀的穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)超穩(wěn)定的相位鎖定系統(tǒng)。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)被鎖定在一臺1064 nm的參考激光上，并通過長達(dá)10小時(shí)的監(jiān)測，將光路長度的殘余相位波動控制在16.5 mrad以內(nèi)，相當(dāng)于光程抖動僅約2.8 nm。這確保了觀測到的干涉條紋變化源于量子效應(yīng)而非環(huán)境噪聲。

當(dāng)光子與這個(gè)原子狹縫相互作用后，原子狹縫與散射的光子之間形成了一個(gè)動量糾纏態(tài)：

其中
代表原子狹縫因?yàn)楣庾拥姆礇_而獲得的相反方向的動量狀態(tài)，代表光子向兩個(gè)相反方向散射的路徑。原子的運(yùn)動狀態(tài)與光子的路徑形成了糾纏關(guān)聯(lián)，通過測量原子的動量，即可推斷出光子的路徑信息。單光子干涉的可見度

V

其中，

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實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)光鑷激光的功率(即改變勢阱深度)，可以像轉(zhuǎn)動旋鈕一樣，精確控制原子狹縫的動量不確定度。研究團(tuán)隊(duì)將光鑷的勢阱深度從0.60 mK動態(tài)調(diào)節(jié)至10.49 mK(軸向聲子頻率相應(yīng)地由8.6 kHz變化至36.0 kHz)，從而將原子的基態(tài)動量不確定性在0.78?

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研究團(tuán)隊(duì)觀測到了一個(gè)清晰的現(xiàn)象，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)勢阱較淺，原子被束縛得較松時(shí)，動量不確定性Δ

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圖2　具有可調(diào)量子極限狹縫的單光子干涉可見度實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)觀測到的原始干涉可見度(藍(lán)色方塊)隨勢阱深度和歸一化反沖動量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了波動性與粒子性之間的互補(bǔ)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測之間的高度吻合證實(shí)了玻爾關(guān)于路徑信息與干涉可見度此消彼長的預(yù)言：你獲得多少關(guān)于“粒子”的信息，就會相應(yīng)地失去多少關(guān)于“波”的信息。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還探索了量子系統(tǒng)向經(jīng)典極限過渡的過程。通過控制光子散射時(shí)間從而引入“經(jīng)典噪聲”，增加了原子的平均聲子數(shù)。實(shí)驗(yàn)觀測到，隨著聲子數(shù)增加干涉可見度迅速衰減。這一過程清晰地展示了系統(tǒng)如何從純粹的量子行為(由

該項(xiàng)工作不僅在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了理想的愛因斯坦—玻爾思想實(shí)驗(yàn)，其發(fā)展的單原子極限操控與精密測量技術(shù)，也為未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模中性原子陣列、量子糾錯(cuò)編碼以及探索消相干效應(yīng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] Bohr N et al. Niels Bohr Coll. Works，1996，7：339

[2] Eichmann U et al. Phys. Rev. Lett.，1993，70：2359

[3] Bertet P et al. Nature，2001，411：166

[4] Durr S et al. Nature，1998，395：33

[5] Eschner J et al. Nature，2001，413：495

[6] Chapman M S et al. Phys. Rev. Lett.，1995，75：3783

[7] Schmidt L P H et al. Phys. Rev. Lett.，2013，111：103201

[8] Margalit Y et al. Science，2015，349：1205

[9] Weisz E et al. Science，2014，344：1363

[10] Chang D I et al. Nat. Phys.，2008，4：205

[11] Liu X J et al. Nat. Photon.，2015，9：120

[12] Tomkovic J et al. Nat. Phys.，2011，7：379

[13] Kokorowski D A et al. Phys. Rev. Lett.，2001，86：2191

[14] Zhang Y C et al. Phys. Rev. Lett.，2025，135：230202

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