中科大团队在量子极限层面实现爱因斯坦思想实验
第五届索尔维会议上，爱因斯坦与玻尔相对而坐，争论声在会议室中回荡。如今，实验台上的单原子捕获设备发出微弱的荧光，这场跨越近百年的争论终于获得了清晰的实验数据支持。
1927年，爱因斯坦为了挑战玻尔提出的互补性原理，在双缝干涉实验中设计了一个精巧的思想实验：让单光子通过一个可移动的狭缝。
爱因斯坦认为，单光子会给狭缝一个极微弱的反冲动量，若能测出这一反冲即可知道光子的路径（粒子性），而只要狭缝位置足够精确，干涉条纹（波动性）仍可保留。
这一思想实验直接指向“能否同时获得波与粒子的完整信息”，被视为量子力学最深刻的悖论之一。
01 世纪之辩与思想实验
1927年的第五届索尔维会议，是现代物理学史上的标志性时刻。在争论中，爱因斯坦提出了“反冲狭缝”的思想实验。
他设想在双缝实验中，如果狭缝可以自由移动，光子穿过狭缝时会对其产生微弱的反冲，通过测量这个反冲，就能判断光子是通过哪个狭缝的。
这个实验的核心挑战在于反冲信号的测量难度。单光子的动量反冲极为微弱，约为10⁻²⁷kg·m/s量级，而宏观物体的动量不确定度远大于此。
因此，近一个世纪以来，这一巧妙的设想始终停留在理论层面，成为物理学界悬而未决的问题。
02 量子极限下的技术突破
中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城等组成的研究团队，在量子极限条件下终于找到了突破口。
研究团队创造性地利用光镊囚禁的单个铷原子作为“可移动狭缝”，实现了爱因斯坦构想中的关键组件。
通过拉曼边带冷却技术，团队成功将原子制备至三维运动基态，使其动量不确定性降至与单光子动量相当的水平。
实验还通过灵活调节光镊囚禁势阱深度，精确控制原子狭缝的动量不确定度。为实现稳定干涉，研究人员发展出主动反馈锁相技术，将原子荧光的干涉路径抖动控制在纳米级别。
03 实验过程与核心发现
在具体实验中，研究团队选定一个封闭循环跃迁，排除原子内态自由度的干扰。当单光子与这个处于基态的原子“狭缝”相互作用时，实验观测到了原子动量可调谐的干涉对比度渐进变化过程。
随着光镊势阱深度增加，原子受到的空间限制增强，根据海森堡不确定性原理，其基态动量波函数变得更宽。
这时，光子与原子之间的纠缠度降低，光子干涉对比度随之提高。研究团队通过校准和去除原子加热造成的经典噪声影响后，实验数据与原子处于完美基态时的光子干涉对比度高度吻合。
此外，研究还实现了对原子平均声子数的主动调控，观察到了声子数增多引起的干涉对比度下降，展现了系统从量子到经典的过渡。
04 对量子力学基础的理解
这项研究证实了玻尔互补性原理的正确性。实验结果表明，随着光子与原子纠缠度的降低，获取粒子性信息的能力增强时，波动性特征（干涉条纹的可见度）就会相应减弱。
这与玻尔的观点一致：无法同时获得波与粒子的完整信息，两种属性是互补的。
研究中观测到的从量子到经典的连续转变过程，也为理解量子世界与经典世界的界限提供了新视角。
审稿人评价该工作是“对量子力学基础的重大贡献”、“一个漂亮的实验”以及“一个百年思想实验的教科书式实现”。
05 未来影响与技术前景
该研究成果的意义远不止于解决一场世纪争论，更在于实验中发展出的精密量子技术。
高精度单原子操控、单原子-单光子纠缠和干涉等技术突破，为未来实现大规模中性原子阵列、压缩态纠错编码奠定了坚实基础。
这些技术将推动量子计算、量子通信和量子精密测量等领域的发展。通过进一步探索消相干和量子到经典过渡等基础问题，人类对量子世界的理解将达到新高度。
该研究相关成果于2025年12月3日以编辑推荐的形式发表于国际学术期刊《物理评论快报》，并获得了学界的广泛关注。
随着光镊囚禁的铷原子在实验室中成功扮演了爱因斯坦构想中的“可移动狭缝”，物理学史上这段悬而未决的争论终于有了明确的实验答案。经典与量子之间的边界，在一个精密的实验台上，得以首次被连续观测和验证。
实验台上单原子捕获设备发出的微弱荧光，不仅映照出量子世界的奇妙本质，也照亮了未来量子技术发展的新路径。
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