中國科學技術大學教授潘建偉、陸朝陽、陳明城等組成的研究團隊,利用光鑷囚禁的量子基態單原子,首次實現了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,並展示了從量子到經典的連續轉變過程。12月3日,相關成果發表於《物理評論快報》。
在1927年召開的第五届索爾維會議上,愛因斯坦為挑戰玻爾提出的互補性原理,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,而只要狹縫位置足够精確,干涉條紋仍可保留。這一思想實驗直接指向“能否同時獲得波與粒子的完整資訊”,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於量測有效的反沖訊號,這就要求狹縫的動量不確定度要小於光子的衝擊動量。然而,由於單光子的動量反沖非常微弱,遠小於宏觀物體的動量不確定度,所以愛因斯坦的這一巧妙實驗在過去近百年仍停留在“思想”層面。
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”,使用拉曼邊帶冷卻科技將原子製備至三維運動基態,使其動量不確定性下降至與單光子動量相當的水准。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。實驗選定一個封閉迴圈躍遷,排除了原子內態自由度的干擾。為實現穩定的干涉,研究組發展了主動迴響鎖相技術,將原子螢光的干涉路徑抖動控制到了納米級別。
實驗結果表明,隨著光鑷阱深增强,原子受到的空間限制更强,根據海森堡不確定性原理,其基態動量波函數將更寬。所以經過光子反沖後,原子動量波函數的重疊度新增,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,部分由原子加熱引起。研究團隊通過校準和去除這一經典雜訊影響後,實驗數據與原子處於完美基態時的光子干涉對比度高度吻合。研究團隊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於量子基礎的爭論近百年之後,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科技,為未來實現大規模中性原子陣列、壓縮態糾錯編碼並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。