中科大破解量子百年難題

文︱陸棄

量子世界的奧秘，總是讓人既震撼又困惑。從1927年的第五屆索爾維會(huì)議到今天，愛因斯坦與玻爾關(guān)于量子互補(bǔ)性的爭論幾乎跨越了一個(gè)世紀(jì)。那時(shí)，愛因斯坦提出了一個(gè)看似簡單卻深邃的思想實(shí)驗(yàn)：雙縫干涉中，若能測出單光子給狹縫的微小反沖動(dòng)量，就能知道光子路徑，而干涉條紋還能保留。這一構(gòu)想讓玻爾大呼不可行，因?yàn)楫?dāng)時(shí)任何物理測量都無法如此精確，狹縫的動(dòng)量不確定性遠(yuǎn)大于光子的微弱反沖。近百年來，這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)一直停留在“思想”層面，像一顆閃爍的量子明星，照亮物理學(xué)家的夢(mèng)想，卻始終無法觸及現(xiàn)實(shí)。

直到12月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、陸朝陽、陳明城等人組成的團(tuán)隊(duì)，用實(shí)驗(yàn)的方式把愛因斯坦的夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)。他們利用光鑷囚禁單個(gè)銣原子，把它變成了“可移動(dòng)狹縫”，通過拉曼邊帶冷卻技術(shù)將原子制備至三維運(yùn)動(dòng)基態(tài)，使其動(dòng)量不確定性降到與單光子動(dòng)量相當(dāng)?shù)乃健?shí)驗(yàn)不僅精巧到極致，更像是一場量子芭蕾，單光子與單原子在微觀舞臺(tái)上交錯(cuò)、糾纏、干涉，所有細(xì)微的量子效應(yīng)都被一一捕捉。

實(shí)驗(yàn)的核心，是調(diào)節(jié)光鑷囚禁勢(shì)阱深度，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子動(dòng)量不確定度的精確控制。這意味著，研究人員可以像調(diào)音師一樣，調(diào)整狹縫的“柔軟度”，觀察光子干涉條紋隨原子動(dòng)量變化而產(chǎn)生的微妙起伏。干涉對(duì)比度的漸進(jìn)變化，直接展示了海森堡極限下的互補(bǔ)性原理，同時(shí)呈現(xiàn)了量子到經(jīng)典的連續(xù)過渡過程。過去只能在黑板上爭論的悖論，如今在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)里鮮活地展現(xiàn)出來，量子物理從哲學(xué)討論走向可視可觸的現(xiàn)實(shí)。

細(xì)節(jié)更令人驚嘆。實(shí)驗(yàn)中，原子加熱帶來的經(jīng)典噪聲會(huì)部分降低干涉對(duì)比度，但團(tuán)隊(duì)通過校準(zhǔn)消除這一影響，結(jié)果與理想狀態(tài)幾乎完全吻合。這背后，是對(duì)量子技術(shù)精密操控的極致要求，也是科研者耐心與智慧的結(jié)晶。從單原子操控到單光子-單原子糾纏，再到干涉觀測，每一步都是對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)極限的挑戰(zhàn)，每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都凝結(jié)著無數(shù)個(gè)日日夜夜的努力。

這項(xiàng)工作不僅僅是對(duì)愛因斯坦思想實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，它還打開了通往更廣闊量子世界的大門。高精度單原子操控技術(shù)為未來大規(guī)模中性原子陣列提供了可能，也為壓縮態(tài)糾錯(cuò)編碼、量子信息處理以及深入研究消相干和量子-經(jīng)典轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。這是基礎(chǔ)科學(xué)的勝利，也是技術(shù)潛力的預(yù)演。量子世界的每一次突破，既是對(duì)物理定律的驗(yàn)證，也是對(duì)科技未來的召喚。

值得注意的是，這次實(shí)驗(yàn)的意義遠(yuǎn)不止于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的量子粒子。它讓我們看到了中國科研團(tuán)隊(duì)在國際前沿科學(xué)中發(fā)出的強(qiáng)音：在量子信息、量子操控與量子測量領(lǐng)域，中國科研力量已經(jīng)站在世界前列。從思想實(shí)驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)，這條跨越近百年的科學(xué)之路，是對(duì)科學(xué)理想與實(shí)驗(yàn)智慧完美結(jié)合的注解。

這項(xiàng)成果也提醒我們，量子世界的奇妙與現(xiàn)實(shí)世界的精密操控之間，存在著人類智慧的無限空間。愛因斯坦當(dāng)年提出“可移動(dòng)狹縫”的理念，是對(duì)量子互補(bǔ)性的挑戰(zhàn)，是科學(xué)哲學(xué)的深刻思考。而今天，中科大團(tuán)隊(duì)用實(shí)驗(yàn)讓這個(gè)理念落地，讓量子糾纏、干涉與互補(bǔ)性不再是抽象概念，而是可測量、可操控、可驗(yàn)證的現(xiàn)實(shí)。量子物理從紙面思想躍向?qū)嶒?yàn)舞臺(tái)，也讓公眾看到了基礎(chǔ)研究的巨大價(jià)值和深遠(yuǎn)意義。

在科學(xué)探索的道路上，時(shí)間從來不是阻礙，而是積累智慧的土壤。近百年的量子爭論，如同一條長河，將思想與實(shí)驗(yàn)、理論與技術(shù)串聯(lián)。潘建偉團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)，是這條河流中的璀璨瞬間，也是對(duì)科學(xué)精神最有力的詮釋：探索永無止境，奇跡可以被創(chuàng)造，夢(mèng)想終將照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)光鑷緩緩握住單個(gè)原子，單光子穿過微小的狹縫，干涉條紋逐漸清晰，這一刻，愛因斯坦與玻爾的世紀(jì)之辯終于有了實(shí)驗(yàn)回答。科學(xué)家用耐心、智慧和精密技術(shù)，把思想實(shí)驗(yàn)搬上了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，也讓我們看到，人類對(duì)未知世界的好奇心和創(chuàng)造力，從未停歇。科研的魅力，也許就在于將看似不可實(shí)現(xiàn)的“思想”化為觸手可及的現(xiàn)實(shí)，讓量子世界的神秘之美，映照到每一雙熱愛探索的眼睛里。