在量子力學(xué)誕生近百年后的今天，一場(chǎng)跨越世紀(jì)的物理學(xué)爭(zhēng)論終于在實(shí)驗(yàn)室中迎來(lái)了最令人信服的“判決”。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、陳明城教授團(tuán)隊(duì)宣布，他們利用光鑷囚禁的基態(tài)單原子，成功構(gòu)建了愛因斯坦在1927年索爾維會(huì)議上提出的“反沖狹縫”思想實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）并獲得編輯特別推薦的研究，不僅以教科書般的精確度驗(yàn)證了玻爾的互補(bǔ)性原理，更為人類在單原子級(jí)別上的量子操控技術(shù)樹立了新的標(biāo)桿。

這項(xiàng)突破性的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了原子動(dòng)量可調(diào)諧的干涉對(duì)比度漸進(jìn)變化過(guò)程，直觀展示了物理系統(tǒng)如何從遵循概率波動(dòng)的量子世界平滑過(guò)渡到確定性的經(jīng)典世界，終結(jié)了關(guān)于波粒二象性互斥機(jī)制長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的哲學(xué)與技術(shù)探討。

跨越世紀(jì)的物理學(xué)博弈

要理解這項(xiàng)工作的深遠(yuǎn)意義，必須回溯到物理學(xué)史上最黃金的年代。1927年10月，第五屆索爾維會(huì)議在布魯塞爾召開，這被后世譽(yù)為物理學(xué)界的“諸神之戰(zhàn)”。會(huì)議上，阿爾伯特·愛因斯坦作為量子力學(xué)的質(zhì)疑者，與哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖尼爾斯·玻爾展開了激烈的交鋒。愛因斯坦并不接受海森堡的不確定性原理，他試圖通過(guò)一系列巧妙設(shè)計(jì)的思想實(shí)驗(yàn)來(lái)證明量子力學(xué)的不完備性。

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在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典圖景中，粒子穿過(guò)狹縫會(huì)在屏幕上形成干涉條紋，表現(xiàn)出波動(dòng)性；但一旦觀測(cè)者試圖探測(cè)粒子究竟穿過(guò)了哪一條狹縫（獲得路徑信息），干涉條紋就會(huì)消失，粒子表現(xiàn)出粒子性。玻爾將這種現(xiàn)象總結(jié)為“互補(bǔ)性原理”：波和粒子的屬性不能同時(shí)被完全觀測(cè)。

愛因斯坦為了挑戰(zhàn)這一論斷，提出了著名的“可移動(dòng)狹縫”（Refcoiling Slit）思想實(shí)驗(yàn)。他設(shè)想，如果讓單光子穿過(guò)一個(gè)懸浮的、可自由移動(dòng)的狹縫，光子在發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)給狹縫一個(gè)反作用力（反沖動(dòng)量）。愛因斯坦認(rèn)為，只要極其精確地測(cè)量狹縫在光子通過(guò)前后的動(dòng)量變化，就能利用動(dòng)量守恒定律反推出光子的路徑；同時(shí)，如果狹縫的位置測(cè)量足夠精確，屏幕上的干涉條紋理應(yīng)保留。如果這一設(shè)想成立，海森堡的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系和玻爾的互補(bǔ)性原理就將土崩瓦解，人們將能夠同時(shí)獲得“路徑”與“干涉”的完整信息。

在當(dāng)時(shí)，玻爾的反駁雖然在邏輯上挽救了量子力學(xué)——他指出狹縫本身也必須遵循量子力學(xué)的不確定性原理，精確測(cè)量動(dòng)量會(huì)擾動(dòng)位置——但在隨后的近一百年里，愛因斯坦的這個(gè)實(shí)驗(yàn)始終停留在“思想”層面。原因在于這是一個(gè)極端的量級(jí)挑戰(zhàn)：?jiǎn)喂庾拥膭?dòng)量極微小，而宏觀材料制成的狹縫質(zhì)量太大，其動(dòng)量不確定度遠(yuǎn)超單光子的反沖動(dòng)量，使得任何試圖測(cè)量這一反沖的努力都會(huì)淹沒在宏觀的噪聲之中。

量子極限下的原子操縱

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的突破在于，他們改變了實(shí)驗(yàn)的尺度。既然宏觀的狹縫太重，那么為什么不用一個(gè)原子來(lái)充當(dāng)“狹縫”？

潘建偉、陸朝陽(yáng)與陳明城團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種極致靈敏的實(shí)驗(yàn)裝置。他們利用光鑷技術(shù)（一種利用激光聚焦束捕獲微小粒子的技術(shù)）囚禁了單個(gè)銣原子，將其作為物理上的“可移動(dòng)狹縫”。為了讓這個(gè)原子狹縫對(duì)光子的微弱推力足夠敏感，研究人員使用了拉曼邊帶冷卻技術(shù)，將原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)冷卻到了三維運(yùn)動(dòng)的基態(tài)。在這種狀態(tài)下，原子的動(dòng)量不確定性被壓縮到了極致，下降至與單光子動(dòng)量相當(dāng)?shù)乃?。這標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)入了真正的量子極限。

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在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，原子不僅是光子通過(guò)的通道，更是量子測(cè)量的核心探針。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)靈活調(diào)節(jié)光鑷囚禁勢(shì)阱的深度，相當(dāng)于在實(shí)驗(yàn)上精確控制了“狹縫”固定的松緊程度。當(dāng)勢(shì)阱很深時(shí)，原子被緊緊束縛，位置確定性極高，但根據(jù)不確定性原理，其動(dòng)量的不確定度也隨之增大，導(dǎo)致其動(dòng)量波函數(shù)變寬。此時(shí)，光子通過(guò)時(shí)的反沖動(dòng)量即使疊加在原子的動(dòng)量波函數(shù)上，也無(wú)法被有效區(qū)分，這意味著無(wú)法獲得光子的路徑信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在這種情況下，屏幕上的干涉條紋清晰可見，對(duì)比度極高。

相反，當(dāng)勢(shì)阱變淺，對(duì)原子的束縛減弱，原子的動(dòng)量波函數(shù)變窄。此時(shí)，單光子撞擊造成的微弱反沖足以使原子的動(dòng)量狀態(tài)發(fā)生可分辨的改變。這種動(dòng)量狀態(tài)的變化不僅標(biāo)記了光子的路徑，更重要的是，它導(dǎo)致原子與光子之間產(chǎn)生了量子糾纏。根據(jù)量子力學(xué)原理，這種糾纏導(dǎo)致了光子自身狀態(tài)的混合，從而破壞了相干性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確地描繪了這一過(guò)程：隨著光子路徑信息（通過(guò)測(cè)量原子反沖）逐漸變得可知，干涉條紋的對(duì)比度通過(guò)一條平滑的曲線逐漸下降，直至消失。

為了確保實(shí)驗(yàn)的純粹性，研究組選定了一個(gè)封閉循環(huán)躍遷，排除了原子內(nèi)態(tài)自由度可能帶來(lái)的干擾。更令人驚嘆的是，為了在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的干涉，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了主動(dòng)反饋鎖相技術(shù)，將原子熒光的干涉路徑抖動(dòng)控制在了納米級(jí)別，確保了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

從佯謬到技術(shù)的跨越

該實(shí)驗(yàn)不僅是對(duì)歷史爭(zhēng)論的回應(yīng)，更是對(duì)量子到經(jīng)典過(guò)渡機(jī)制的一次深層探索。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員還觀察到了干涉對(duì)比度的非理想下降，這部分歸因于原子加熱等經(jīng)典噪聲。通過(guò)主動(dòng)調(diào)控原子的平均聲子數(shù)（即熱運(yùn)動(dòng)的量子化描述），研究組清晰地展示了隨著系統(tǒng)聲子數(shù)的增加，干涉效應(yīng)是如何因環(huán)境噪聲的引入而衰減的。這一步驟成功剝離了經(jīng)典噪聲的影響，證實(shí)了在校準(zhǔn)后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與原子處于完美基態(tài)時(shí)的理論預(yù)測(cè)高度吻合。

這種“全量程”的觀測(cè)——從純粹的量子糾纏導(dǎo)致的相干性喪失，到熱噪聲引起的退相干——展示了物理世界如何從量子力學(xué)的奇特規(guī)則逐漸過(guò)渡到我們熟悉的經(jīng)典物理世界。

《物理評(píng)論快報(bào)》的審稿人對(duì)該工作給予了極高的評(píng)價(jià)，稱其為“對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)的重大貢獻(xiàn)”以及“一個(gè)百年思想實(shí)驗(yàn)的教科書式實(shí)現(xiàn)”。美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics欄目亦緊隨其后，以“單原子的愛因斯坦狹縫”為題進(jìn)行了專題報(bào)道。

這項(xiàng)研究的成功，標(biāo)志著中國(guó)在精密量子技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位。它不僅在基礎(chǔ)物理層面再次確認(rèn)了海森堡極限下的互補(bǔ)性原理，更為實(shí)際應(yīng)用奠定了基石。實(shí)驗(yàn)中發(fā)展的高精度單原子操控、單原子-單光子糾纏與干涉技術(shù)，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模中性原子量子計(jì)算陣列的關(guān)鍵要素。此外，對(duì)于量子糾錯(cuò)編碼的壓縮態(tài)制備，以及探索量子系統(tǒng)如何在復(fù)雜環(huán)境中保持相干性（即對(duì)抗消相干），該實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)極其理想的測(cè)試平臺(tái)。

當(dāng)愛因斯坦在1927年構(gòu)思那個(gè)可移動(dòng)的狹縫時(shí)，他或許未曾預(yù)料到，人類需要花費(fèi)近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，將技術(shù)推進(jìn)到操縱單個(gè)原子的地步，才能真正完成他設(shè)想的這一幕。而今，通過(guò)中國(guó)科學(xué)家的努力，那個(gè)曾在索爾維會(huì)議上引發(fā)激辯的思想實(shí)驗(yàn)，終于在實(shí)驗(yàn)室的激光束中變成了現(xiàn)實(shí)，以一種最優(yōu)雅的方式，為量子力學(xué)的核心基石補(bǔ)上了最后一塊拼圖。