我科学家实现反冲狭缝思想实验

日前，中国科学技术大学潘建伟、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。相关成果近日发表于国际学术期刊《物理评论快报》。

在1927年的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。过去近百年，由于技术条件等限制，这一巧妙的思想实验仍停留在“思想”层面。

据悉，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”。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，部分是由原子加热（经典噪声）引起。研究团队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。研究团队还实现主动调控原子平均声子数，观察到由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。

研究团队告诉记者，该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了基础。