在量子極限下實現愛因斯坦—玻爾“反沖狹縫”思想實驗

|作者：張宇宸1,2,3　陳明城1,2,3,?　陸朝陽1,2,3,?　潘建偉1,2,3,?

(1 中國科學技術大學近代物理系 合肥微尺度物質科學國家研究中心 新基石科學實驗室）

(2 中國科學技術大學 上海量子科學研究中心 中國科學院量子信息與量子前沿卓越創新中心）

(3 中國科學技術大學 合肥國家實驗室）

本文選自《物理》2026年第1期

在1927年第五屆索爾維會議上，愛因斯坦與玻爾關于量子力學本質的辯論對物理學發展產生了深遠影響[1]。為了挑戰玻爾提出的“互補原理”(即微觀粒子的波動性與粒子性不可兼得)，愛因斯坦提出了一個思想實驗：在雙縫干涉裝置中，其中一個狹縫可以自由移動，當光子穿過時會給狹縫一個微弱的反沖(圖1(a))，若能測出該反沖，即可獲得光子的路徑信息(粒子性)；同時，如果干涉條紋(波動性)依然存在，則意味著互補原理的局限性。

圖1　愛因斯坦—玻爾思想實驗的概念及其實現 (a)具有可移動狹縫的單光子干涉示意圖。當光子在狹縫處發生散射時，其路徑與狹縫的動量發生糾纏；(b)本工作的實驗實現：將利用光鑷捕獲并冷卻至量子基態的單原子作為可移動的量子狹縫。單原子的動量不確定性可通過光學手段調節至與單光子動量相當；(c)在這種糾纏的光子—狹縫系統中，干涉可見度取決于狹縫動量態的重疊程度

然而，這一思想實驗的物理實現面臨巨大挑戰。這是因為單光子產生的反沖動量極其微弱(約10-27 kg·m/s)，遠小于宏觀狹縫因海森伯不確定性原理所產生的動量抖動。例如，質量為1克以100 kHz頻率振動的物體，其基態動量不確定性比單光子動量高出約11個數量級。盡管過去幾十年間已有多種實驗嘗試[2—13]，但始終未能完全復現愛因斯坦思想中的理想場景——即構建一個具有純粹單光子反沖響應且參數可調的線性光學干涉儀。

最近，中國科學技術大學的研究團隊提出并實現了一種新方案[14]，他們利用單個原子來構建這個理想實驗的“可移動狹縫”：即利用一束高度聚焦的激光(即光鑷)在真空中“抓住”了一個銣原子(87Rb)，將它打造成了極端靈敏的“可移動狹縫”(圖1(b))。

為了使原子狹縫能夠感知單光子的微弱推力，實驗必須將原子的動量不確定性壓縮至量子極限，團隊采用三維拉曼邊帶冷卻技術達到了此極限。首先針對光鑷系統軸向束縛較弱(約40 kHz)的挑戰，研究人員設計了特殊的冷卻光路，利用兩束與軸向成60°夾角的拉曼光，成功將原子冷卻至接近振動基態。實驗數據顯示，原子軸向基態占據率達
，徑向基態占比率達0.99±0.01。此時，原子的動量不確定性Δ

p

k

此外，為了確保干涉儀的穩定性，研究團隊構建了一個超穩定的相位鎖定系統。整個光學系統被鎖定在一臺1064 nm的參考激光上，并通過長達10小時的監測，將光路長度的殘余相位波動控制在16.5 mrad以內，相當于光程抖動僅約2.8 nm。這確保了觀測到的干涉條紋變化源于量子效應而非環境噪聲。

當光子與這個原子狹縫相互作用后，原子狹縫與散射的光子之間形成了一個動量糾纏態：

其中
代表原子狹縫因為光子的反沖而獲得的相反方向的動量狀態，代表光子向兩個相反方向散射的路徑。原子的運動狀態與光子的路徑形成了糾纏關聯，通過測量原子的動量，即可推斷出光子的路徑信息。單光子干涉的可見度

V

其中，

k

p

實驗中，通過調節光鑷激光的功率(即改變勢阱深度)，可以像轉動旋鈕一樣，精確控制原子狹縫的動量不確定度。研究團隊將光鑷的勢阱深度從0.60 mK動態調節至10.49 mK(軸向聲子頻率相應地由8.6 kHz變化至36.0 kHz)，從而將原子的基態動量不確定性在0.78?

k

k

研究團隊觀測到了一個清晰的現象，結果如圖2所示。當勢阱較淺，原子被束縛得較松時，動量不確定性Δ

p

p

圖2　具有可調量子極限狹縫的單光子干涉可見度實驗結果 (a)觀測到的原始干涉可見度(藍色方塊)隨勢阱深度和歸一化反沖動量

實驗結果驗證了波動性與粒子性之間的互補關系，實驗數據與理論預測之間的高度吻合證實了玻爾關于路徑信息與干涉可見度此消彼長的預言：你獲得多少關于“粒子”的信息，就會相應地失去多少關于“波”的信息。

此外，研究團隊還探索了量子系統向經典極限過渡的過程。通過控制光子散射時間從而引入“經典噪聲”，增加了原子的平均聲子數。實驗觀測到，隨著聲子數增加干涉可見度迅速衰減。這一過程清晰地展示了系統如何從純粹的量子行為(由

該項工作不僅在實驗上實現了理想的愛因斯坦—玻爾思想實驗，其發展的單原子極限操控與精密測量技術，也為未來實現大規模中性原子陣列、量子糾錯編碼以及探索消相干效應奠定了技術基礎。

參考文獻

[1] Bohr N et al. Niels Bohr Coll. Works，1996，7：339

[2] Eichmann U et al. Phys. Rev. Lett.，1993，70：2359

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[5] Eschner J et al. Nature，2001，413：495

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[8] Margalit Y et al. Science，2015，349：1205

[9] Weisz E et al. Science，2014，344：1363

[10] Chang D I et al. Nat. Phys.，2008，4：205

[11] Liu X J et al. Nat. Photon.，2015，9：120

[12] Tomkovic J et al. Nat. Phys.，2011，7：379

[13] Kokorowski D A et al. Phys. Rev. Lett.，2001，86：2191

[14] Zhang Y C et al. Phys. Rev. Lett.，2025，135：230202

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