我國科學家實現(xiàn)反沖狹縫思想實驗

記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校潘建偉、陸朝陽、陳明城等人組成的研究團隊，利用光鑷囚禁的量子基態(tài)單原子，首次完整地實現(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)成果于12月3日發(fā)表于國際學術(shù)期刊《物理評論快報》。

在第五屆索爾維會議上，愛因斯坦為挑戰(zhàn)玻爾提出的互補性原理，在雙縫干涉實驗中，設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，而只要狹縫位置足夠精確，干涉條紋仍可保留。這一思想實驗被視為量子力學最深刻的悖論之一。

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，遠小于宏觀物體的動量不確定度。所以，這一巧妙的思想實驗在過去近百年仍停留在“思想”層面。

據(jù)了解，在本次研究工作中，研究團隊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?shù)乃健Ｍ瑫r，實驗可通過靈活地調(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。

實驗結(jié)果表明，經(jīng)過光子反沖后，原子動量波函數(shù)的重疊度增加，導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)時的光子干涉對比度高度吻合。

研究人員表示，此次研究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)問題奠定基礎(chǔ)。

來源: 新華網(wǎng)