“对量子力学基础的重大贡献”：中国科大这项研究论证爱因斯坦和玻尔近百年前争论

12月3日，中国科学技术大学官网发布消息：中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等组成的研究团队，利用光镊囚禁的量子基态单原子，首次忠实地实现了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。相关成果以编辑推荐的形式2025年12月3日发表于国际期刊《物理评论快报》。美国物理学会Physics栏目以“单原子的爱因斯坦狭缝”为题进行专题报道。

在1927年的第五届索尔维会议上，爱因斯坦为挑战玻尔的互补性原理，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（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。

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（~10-27kg⋅m/s），远小于宏观物体的动量不确定度。所以，爱因斯坦的这一巧妙的思想实验在过去近百年仍停留在“思想”层面。

1927年第五届索尔维会议合影和爱因斯坦玻尔争论中提出来的思想实验。

研究组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，实验可以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。实验选定一个封闭循环跃迁，排除了原子内态自由度的干扰。为了实现稳定的干涉，研究组发展了主动反馈锁相技术，将原子荧光的干涉路径抖动控制到了纳米级别。

实验结果表明，随着光镊阱深增强，原子受到的空间限制更强，根据海森堡不确定性原理，其基态动量波函数将更宽。所以经过光子反冲后，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（经典噪声）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（量子极限）时的光子干涉对比度高度吻合。研究组还实现主动调控原子平均声子数，观察到声子数增多引起的干涉对比度的下降，展现了系统从量子到经典的过渡。

该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忠实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了基础。

审稿人评价该工作是“对量子力学基础的重大贡献”（this is a significant contribution to the foundations of quantum mechanics）、“一个漂亮的实验”（beautiful experiment）、“一个百年思想实验的教科书式实现”（a textbook realization of a century old thought experiment）。

论文第一作者是研究生张宇宸、程浩文、曾许曌秋。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省、上海市和新基石科学基金会等的支持。