我國學者用單原子實現反沖狹縫思想實驗， 終結愛因斯坦與玻爾世紀之辯

合肥國家實驗室/中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等組成的研究團隊，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，觀測到了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，并展示了從量子到經典的連續轉變過程。相關成果以“編輯推薦（editors' suggestion）”的形式2025年12月3日發表于國際期刊《物理評論快報》。美國物理學會Physics欄目以“單原子的愛因斯坦狹縫”為題進行專題報道。

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在1927年的第五屆索爾維會議上，愛因斯坦為挑戰玻爾的互補性原理，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（粒子性），而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（~10-27kg·m/s），遠小于宏觀物體的動量不確定度。所以，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。

▲圖1：1927年第五屆索爾維會議合影和愛因斯坦波爾爭論中提出來的思想實驗

研究組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，實驗可以通過靈活地調節光鑷囚禁勢阱深度，來改變原子狹縫的動量不確定度。實驗選定一個封閉循環躍遷，排除了原子內態自由度的干擾。為了實現穩定的干涉，研究組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到了納米級別。

▲圖2：單光子單原子量子干涉儀實現愛因斯坦思想實驗

實驗結果表明，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。所以經過光子反沖后，原子動量波函數的重疊度增加，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（經典噪聲）引起。研究團隊通過校準和去除這一經典噪聲影響后，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。研究組還實現主動調控原子平均聲子數，觀察到聲子數增多引起的干涉對比度的下降，展現了系統從量子到經典的過渡。

▲圖3：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

該工作在愛因斯坦和玻爾關于量子基礎的爭論近百年之后，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”，不僅在量子極限層面忠實實現了愛因斯坦思想實驗，而且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、以及進一步探索消相干和量子到經典過渡等基礎問題奠定了基礎。

審稿人評價該工作是“對量子力學基礎的重大貢獻”（this is a significant contribution to the foundations of quantum mechanics）、“一個漂亮的實驗”（beautiful experiment）、“一個百年思想實驗的教科書式實現”（a textbook realization of a century old thought experiment）。

研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省、上海市和新基石科學基金會等的支持。

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