用单原子当“狭缝”：我国科学家首次实现百年思想实验
一个被囚禁在光镊中的铷原子，成为了百年量子之争的最终裁决者。
中国科学院、中国科学技术大学等机构近日宣布，潘建伟、陆朝阳、陈明城等科学家组成的研究团队，首次利用光镊囚禁的单个铷原子，完整实现了爱因斯坦在1927年提出的“反冲狭缝”思想实验。
这项发表于《物理评论快报》的研究不仅终结了爱因斯坦与玻尔长达百年的世纪之辩，还展示了从量子到经典的连续转变过程，被认为是量子力学基础研究的重大突破。
01 世纪辩论的核心
爱因斯坦与玻尔的辩论是科学史上的经典一幕。1927年第五届索尔维会议上，爱因斯坦为挑战玻尔的互补性原理，提出了一个精妙的思想实验。
在传统的双缝干涉实验中，光子通过两个狭缝后会形成干涉条纹，这是波动性的体现。
爱因斯坦设想让单个光子通过一个可移动的狭缝。他认为，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。
02 实验悬而未决的物理困境
爱因斯坦提出的问题直击量子力学核心：能否同时获得波与粒子的完整信息？这个实验被视为量子力学最深刻的悖论之一。
实际上，实现这一思想实验面临巨大技术挑战。关键在于测量有效的反冲信号，要求狭缝的动量不确定度小于光子的冲击动量。
然而，单光子的动量反冲非常微弱，仅为约10^-27kg·m/s，远小于宏观物体的动量不确定度。因此，这一巧妙的思想实验在近百年内始终停留在“思想”层面。
03 技术突破的关键设计
研究团队采用了革命性的实验设计，在量子极限条件下实现了最灵敏的“可移动狭缝”。
他们利用光镊囚禁单个铷原子作为“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，实验可以通过灵活调节光镊囚禁势阱深度，来改变原子狭缝的动量不确定度。为实现稳定的干涉，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在纳米级别。
04 实验结果的理论证实
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。
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，从而使光子干涉对比度提高。
实验中观察到的干涉对比度下降，部分由原子加热引起。校准和去除经典噪声影响后，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。
05 研究价值与未来应用
这项工作不仅首次在量子极限层面实现了爱因斯坦思想实验，还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。
国际评审人对这项研究给予高度评价，称其为“对量子力学基础的重大贡献”、“一个漂亮的实验”、“一个百年思想实验的教科书式实现”。
量子物理学界的评价已很明确：《物理评论快报》以编辑推荐形式刊登了这项研究，美国物理学会Physics栏目还以“单原子的爱因斯坦狭缝”为题进行了专题报道。
从第五届索尔维会议至今，这场持续近百年的科学辩论终于在光镊囚禁的单个铷原子中找到了明确答案。实验团队研究生张宇宸、程浩文和曾许曌秋作为论文第一作者，见证了量子力学历史上又一座里程碑的树立。
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