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我国科学家实现反冲狭缝思想实验

2025年12月03日54786

  新华社合肥12月3日电(记者戴威)记者从中国科学技术大学获悉,该校潘建伟、陆朝阳、陈明城等人组成的研究团队,利用光镊囚禁的量子基态单原子,首次完整地实现了1927年爱因斯坦和玻尔争论中提出的“反冲狭缝”量子干涉思想实验,观测到了原子动量可调谐的干涉对比度渐进变化过程,证明了海森堡极限下的互补性原理,并展示了从量子到经典的连续转变过程。相关成果于12月3日发表于国际学术期刊《物理评论快报》。

  在第五届索尔维会议上,爱因斯坦为挑战玻尔提出的互补性原理,在双缝干涉实验中,设计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,而只要狭缝位置足够精确,干涉条纹仍可保留。这一思想实验被视为量子力学最深刻的悖论之一。

  实现这一思想实验的关键在于测量有效的反冲信号,这就要求狭缝的动量不确定度要小于光子的冲击动量。然而,由于单光子的动量反冲非常微弱,远小于宏观物体的动量不确定度。所以,这一巧妙的思想实验在过去近百年仍停留在“思想”层面。

  据了解,在本次研究工作中,研究团队在量子极限条件下实现了最灵敏的“可移动狭缝”:利用光镊囚禁的单个铷原子作为“可移动狭缝”,使用拉曼边带冷却技术将原子制备至三维运动基态,使其动量不确定性下降至与单光子动量相当的水平。同时,实验可通过灵活地调节光镊囚禁势阱深度,来改变原子狭缝的动量不确定度。

  实验结果表明,经过光子反冲后,原子动量波函数的重叠度增加,导致光子与原子间的纠缠度降低,从而使得光子干涉对比度提高。此外,在实验中观察到的干涉对比度下降,部分由原子加热引起。研究团队通过校准和去除这一经典噪声影响后,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。

  研究人员表示,此次研究工作在爱因斯坦和玻尔关于量子基础的争论近百年之后,首次利用基态单原子作为对单光子动量敏感的“可移动狭缝”,不仅在量子极限层面实现了爱因斯坦思想实验,而且发展了高精度单原子操控、单原子-单光子纠缠和干涉等精密量子技术,为未来实现大规模中性原子阵列、压缩态纠错编码、以及进一步探索消相干和量子到经典过渡等基础问题奠定基础。

 

【责任编辑:冯粒】
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