中國科大用單原子實現反沖狹縫思想實驗 | 科技前線

中國科學技術大學研究團隊，利用光鑷囚禁的量子基態單原子，首次忠實地實現了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，觀測到原子動量可調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，展示了從量子到經典的連續轉變過程。

01

量子悖論的起源

1927年，愛因斯坦設計了一個實驗：在雙縫干涉實驗中，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”，被視為量子力學最深刻的悖論之一。

實現這一思想實驗的關鍵在于，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驗在過去近百年仍停留在“思想”層面。

02

“雕刻”量子

研究團隊在量子極限條件下，實現了最靈敏的“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將原子制備至三維運動基態，使其動量不確定性下降至與單光子動量相當的水平。

同時，實驗通過靈活調節光鑷囚禁勢阱深度，改變了原子狹縫的動量不確定度，并選定一個封閉循環躍遷，排除了原子內態自由度的干擾。為實現穩定的干涉，研究團隊發展了主動反饋鎖相技術，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現愛因斯坦思想實驗

實驗表明，隨著光鑷阱深增強，原子受到的空間限制更強。根據海森堡不確定性原理，其基態動量波函數將更寬。因此，經過光子反沖后，原子動量波函數的重疊度提升，導致光子與原子間的糾纏度降低，進而使光子干涉對比度得到提高。

同時，實驗觀察到的干涉對比度下降，部分由原子加熱（經典噪聲）引起。研究通過校準和去除這一經典噪聲影響后，發現實驗數據與原子處于完美基態（量子極限）時的光子干涉對比度高度吻合。

研究還實現主動調控原子平均聲子數，觀察到聲子數增多引起干涉對比度下降，體現了系統從量子到經典的過渡特征。

▲通過勢阱深度可調的基態單原子實現愛因斯坦思想實驗的對比度漸變數據

03

為未來奠定基礎

該研究在愛因斯坦和玻爾關于量子基礎的爭論近百年后，首次利用基態單原子作為對單光子動量敏感的“可移動狹縫”，在量子極限層面實現了愛因斯坦思想實驗，發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。

為未來實現大規模中性原子陣列、壓縮態糾錯編碼以及探索消相干和量子到經典過渡等基礎問題奠定了基礎。

論文鏈接：

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

來源：中國科學技術大學

責任編輯：侯茜