大皖新聞訊 大皖新聞記者從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、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。12月3日，相關成果以編輯推薦的形式發表于國際期刊《物理評論快報》。

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，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。

單光子單原子量子干涉儀實現愛因斯坦思想實驗

記者了解到，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。

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。

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。。

審稿人評價該工作是“對量子力學基礎的重大貢獻”、“一個漂亮的實驗”、“一個百年思想實驗的教科書式實現”。

大皖新聞記者 魏鑫鑫 （圖片來自中國科大）

編輯 陶娜