在量子极限下实现爱因斯坦—玻尔“反冲狭缝”思想实验

|作者：张宇宸1,2,3　陈明城1,2,3,†　陆朝阳1,2,3,†　潘建伟1,2,3,†

(1 中国科学技术大学近代物理系 合肥微尺度物质科学国家研究中心 新基石科学实验室）

(2 中国科学技术大学 上海量子科学研究中心 中国科学院量子信息与量子前沿卓越创新中心）

(3 中国科学技术大学 合肥国家实验室）

本文选自《物理》2026年第1期

在1927年第五届索尔维会议上，爱因斯坦与玻尔关于量子力学本质的辩论对物理学发展产生了深远影响[1]。为了挑战玻尔提出的“互补原理”(即微观粒子的波动性与粒子性不可兼得)，爱因斯坦提出了一个思想实验：在双缝干涉装置中，其中一个狭缝可以自由移动，当光子穿过时会给狭缝一个微弱的反冲(图1(a))，若能测出该反冲，即可获得光子的路径信息(粒子性)；同时，如果干涉条纹(波动性)依然存在，则意味着互补原理的局限性。

图1　爱因斯坦—玻尔思想实验的概念及其实现 (a)具有可移动狭缝的单光子干涉示意图。当光子在狭缝处发生散射时，其路径与狭缝的动量发生纠缠；(b)本工作的实验实现：将利用光镊捕获并冷却至量子基态的单原子作为可移动的量子狭缝。单原子的动量不确定性可通过光学手段调节至与单光子动量相当；(c)在这种纠缠的光子—狭缝系统中，干涉可见度取决于狭缝动量态的重叠程度

然而，这一思想实验的物理实现面临巨大挑战。这是因为单光子产生的反冲动量极其微弱(约10-27 kg·m/s)，远小于宏观狭缝因海森伯不确定性原理所产生的动量抖动。例如，质量为1克以100 kHz频率振动的物体，其基态动量不确定性比单光子动量高出约11个数量级。尽管过去几十年间已有多种实验尝试[2—13]，但始终未能完全复现爱因斯坦思想中的理想场景——即构建一个具有纯粹单光子反冲响应且参数可调的线性光学干涉仪。

最近，中国科学技术大学的研究团队提出并实现了一种新方案[14]，他们利用单个原子来构建这个理想实验的“可移动狭缝”：即利用一束高度聚焦的激光(即光镊)在真空中“抓住”了一个铷原子(87Rb)，将它打造成了极端灵敏的“可移动狭缝”(图1(b))。

为了使原子狭缝能够感知单光子的微弱推力，实验必须将原子的动量不确定性压缩至量子极限，团队采用三维拉曼边带冷却技术达到了此极限。首先针对光镊系统轴向束缚较弱(约40 kHz)的挑战，研究人员设计了特殊的冷却光路，利用两束与轴向成60°夹角的拉曼光，成功将原子冷却至接近振动基态。实验数据显示，原子轴向基态占据率达
，径向基态占比率达0.99±0.01。此时，原子的动量不确定性Δ

p

k

此外，为了确保干涉仪的稳定性，研究团队构建了一个超稳定的相位锁定系统。整个光学系统被锁定在一台1064 nm的参考激光上，并通过长达10小时的监测，将光路长度的残余相位波动控制在16.5 mrad以内，相当于光程抖动仅约2.8 nm。这确保了观测到的干涉条纹变化源于量子效应而非环境噪声。

当光子与这个原子狭缝相互作用后，原子狭缝与散射的光子之间形成了一个动量纠缠态：

其中
代表原子狭缝因为光子的反冲而获得的相反方向的动量状态，代表光子向两个相反方向散射的路径。原子的运动状态与光子的路径形成了纠缠关联，通过测量原子的动量，即可推断出光子的路径信息。单光子干涉的可见度

V

其中，

k

p

实验中，通过调节光镊激光的功率(即改变势阱深度)，可以像转动旋钮一样，精确控制原子狭缝的动量不确定度。研究团队将光镊的势阱深度从0.60 mK动态调节至10.49 mK(轴向声子频率相应地由8.6 kHz变化至36.0 kHz)，从而将原子的基态动量不确定性在0.78ℏ

k

k

研究团队观测到了一个清晰的现象，结果如图2所示。当势阱较浅，原子被束缚得较松时，动量不确定性Δ

p

p

图2　具有可调量子极限狭缝的单光子干涉可见度实验结果 (a)观测到的原始干涉可见度(蓝色方块)随势阱深度和归一化反冲动量

实验结果验证了波动性与粒子性之间的互补关系，实验数据与理论预测之间的高度吻合证实了玻尔关于路径信息与干涉可见度此消彼长的预言：你获得多少关于“粒子”的信息，就会相应地失去多少关于“波”的信息。

此外，研究团队还探索了量子系统向经典极限过渡的过程。通过控制光子散射时间从而引入“经典噪声”，增加了原子的平均声子数。实验观测到，随着声子数增加干涉可见度迅速衰减。这一过程清晰地展示了系统如何从纯粹的量子行为(由

该项工作不仅在实验上实现了理想的爱因斯坦—玻尔思想实验，其发展的单原子极限操控与精密测量技术，也为未来实现大规模中性原子阵列、量子纠错编码以及探索消相干效应奠定了技术基础。

参考文献

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

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

[3] Bertet P et al. Nature，2001，411：166

[4] Durr S et al. Nature，1998，395：33

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

[6] Chapman M S et al. Phys. Rev. Lett.，1995，75：3783

[7] Schmidt L P H et al. Phys. Rev. Lett.，2013，111：103201

[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

（参考文献可上下滑动查看）

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