根據(jù)合肥國家實驗室消息， 2025 年 12 月 2 日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、陳明城教授等組成的研究團隊在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表的一項研究，為 1927 年索爾維會議上愛因斯坦與玻爾圍繞量子力學(xué)本質(zhì)的激烈辯論提供了量子極限下的直接實驗證據(jù)。團隊用單個原子和單個光子完成了愛因斯坦在 1927 年提出的思想實驗，實驗結(jié)果明確支持了玻爾對量子互補性原理的詮釋。

圖丨相關(guān)論文（Physical Review Letters）

故事要從近百年前說起。1927 年第五屆索爾維會議（Solvay Conference）云集了當時物理學(xué)界最耀眼的群星，愛因斯坦和玻爾在那里展開了關(guān)于量子力學(xué)詮釋的著名爭論。

圖丨第五屆索爾維會議（Wikipedia）

彼時的愛因斯坦雖然因光量子假說獲得了諾貝爾獎，卻始終無法接受量子力學(xué)中那種“上帝擲骰子”的本質(zhì)不確定性。他設(shè)計了一個巧妙的思想實驗來挑戰(zhàn)玻爾的互補性原理（Complementarity Principle）：在經(jīng)典的雙縫干涉實驗中，在雙縫系統(tǒng)前增加一道由彈簧懸掛的可移動狹縫，當光子最終走向上方或下方路徑時，會在這一狹縫上留下可測的反沖。

愛因斯坦認為，通過測量這個反沖，就能知道光子究竟走了哪條路徑，這是粒子性的體現(xiàn)；同時，光子還會在屏幕上形成干涉條紋，這又是波動性的體現(xiàn)。如果這個實驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)，豈不是意味著可以同時觀測到光的波粒二象性？

（Physical Review Letters）

玻爾的反擊援引了海森堡提出的不確定性原理（Uncertainty Principle）指出，要精確測量狹縫的反沖動量，就必然導(dǎo)致狹縫位置的不確定性增大，而這種位置的模糊會“洗掉”干涉條紋。換句話說，你越是試圖獲取光子路徑信息（粒子性），就越會破壞干涉圖案（波動性）。兩者無法兼得，這正是互補性原理的核心要義。

這場思想實驗的論戰(zhàn)在當時只能停留在紙面上，因為技術(shù)條件根本無法滿足實驗要求。要讓這個實驗真正成立，那個“可移動的狹縫”必須足夠輕、量子態(tài)足夠純凈，其動量不確定性 Δp 要小于單個光子的動量 ?k（? 是約化普朗克常數(shù)，k 是光子波矢）。

對于一個宏觀物體而言，哪怕是 1 克重的鏡子，在 100kHz 頻率下的基態(tài)動量不確定性約為 10 的負 16 次方千克米每秒，而一個光學(xué)光子的動量僅為 10 的負 27 次方千克米每秒，兩者相差了 11 個數(shù)量級。這意味著用任何宏觀物體作為“可移動狹縫”都無法勝任量子觀測者的角色。

直到 2025 年，技術(shù)的進步終于讓這個思想實驗從理想走向現(xiàn)實。有意思的是，幾乎在同一年里，兩支頂尖團隊不約而同地向這個世紀難題發(fā)起沖擊。

7 月，MIT 的諾貝爾獎得主 Wolfgang Ketterle 領(lǐng)銜的團隊率先在《物理評論快報》上發(fā)表了他們的成果，使用超過一萬個超冷原子排列成晶格，每個原子充當一個獨立的“狹縫”。

圖丨相關(guān)論文（Physical Review Letters）

而中國科大的團隊則走得更遠，他們用單個銣-87 原子（87Rb）實現(xiàn)了這個思想實驗，將量子觀測推向了真正的量子極限。

潘建偉團隊的實驗方案基于光學(xué)鑷子技術(shù)和極低溫原子操控。他們使用波長 852 納米的激光形成光學(xué)鑷子（Optical Tweezer），將一個單獨的銣原子捕獲其中。接下來的關(guān)鍵步驟是將這個原子冷卻到三維運動的基態(tài)，這是一個原子能夠達到的最低能量狀態(tài)，此時原子的動量不確定性降到了理論極限。

研究人員用三維拉曼邊帶冷卻（Raman Sideband Cooling）技術(shù)來實現(xiàn)這個目標。最困難的是軸向冷卻，因為軸向囚禁頻率只有約 40kHz，遠低于徑向的 300kHz。團隊將兩束拉曼光束以 60 度角對準鑷子軸向，在最大化軸向耦合的同時抵消了徑向效應(yīng)。

最終測量顯示，軸向基態(tài)占據(jù)率達到了 0.91，徑向更是高達 0.99，也就是說，原子幾乎完全處于量子基態(tài)。

圖丨實驗裝置示意圖（Physical Review Letters）

在這種極限冷卻條件下，單個基態(tài)原子的動量不確定性被控制在與單光子動量相當?shù)牧考?。更重要的是，通過改變光鑷的阱深（從 0.60 到 10.49 mK），研究人員可以動態(tài)調(diào)整原子的動量不確定性，范圍覆蓋從 0.78 到 1.60 倍的光子動量 ?k。這種可調(diào)性是此前任何實驗都未曾實現(xiàn)的。

實驗的核心設(shè)計則對愛因斯坦原初構(gòu)想進行了忠實還原。當單個光子與原子發(fā)生瑞利散射（Rayleigh Scattering）時，光子可能向上或向下偏轉(zhuǎn)，同時給原子施加一個相反方向的反沖動量。

這個過程導(dǎo)致光子和原子形成量子糾纏（Quantum Entanglement）：光子的路徑信息被編碼到了原子的動量狀態(tài)中。如果用量子態(tài)來描述，這個糾纏態(tài)可以寫成 |ψ(p-?k)?slit|+?k?photon + ei?|ψ(p+?k)?slit|-?k?photon，其中 ψ(p) 代表原子的動量波函數(shù)，? 是兩條路徑的相位差。

關(guān)鍵的物理圖像在于原子動量波函數(shù)的重疊程度。當光子給原子施加 ±?k 的反沖時，原子的動量波函數(shù)會發(fā)生位移。如果原子初始動量不確定性 Δp 遠大于 ?k，兩個位移后的波函數(shù)幾乎完全重疊，此時光子的路徑信息幾乎完全丟失，干涉可見度 V 接近 1。

反之，如果 Δp 遠小于?k，兩個波函數(shù)幾乎不重疊，路徑信息被清晰地記錄下來，干涉條紋消失，可見度趨近于 0。實驗測得的可見度公式 V = exp(-2η2)與理論預(yù)測很好吻合，其中 η=?k/(2Δp)是歸一化的反沖動量參數(shù)，類似于離子囚禁中的蘭姆-迪克參數(shù)（Lamb-Dicke Parameter）。

為了保證實驗的精度，團隊還必須克服一個看似平凡實則關(guān)鍵的技術(shù)難題：相位穩(wěn)定性。干涉實驗最怕環(huán)境擾動引起的相位漂移，哪怕是溫度的微小波動或者機械振動都可能毀掉干涉圖案。

研究人員將整個光學(xué)系統(tǒng)鎖相到一個 1,064 納米的參考激光上，通過主動反饋控制將兩條光路的相位噪聲壓制到 16.5 毫弧度，對應(yīng)的光程穩(wěn)定性達到 2.8 納米。在長達十小時的連續(xù)測量中，這個系統(tǒng)展現(xiàn)出了驚人的穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果有力地支持了玻爾的觀點。當光鑷阱深從淺到深變化時，對應(yīng)的軸向聲子頻率從 8.6 kHz上升到 36.0kHz，原子基態(tài)動量不確定性也隨之增大。此時觀測到的單光子干涉可見度從 0.3 逐步上升到 0.84，遵循著 V=exp(-2η2)的理論曲線。

這個簡潔的指數(shù)關(guān)系揭示了互補性原理的量子本質(zhì)：獲取的路徑信息越多（動量不確定性 Δp 越小、對應(yīng)的 η 越大），可見度下降越嚴重；反之，當我們放棄路徑信息（Δp 越大、η 越小）時，波動性越顯著。

圖丨實驗核心結(jié)果（Physical Review Letters）

更進一步，團隊還巧妙地區(qū)分了量子極限噪聲和經(jīng)典加熱噪聲。由于三維拉曼冷卻并非完美，加上光鑷阱深調(diào)整和光子散射過程都會引入額外的聲子激發(fā)，導(dǎo)致原子偏離基態(tài)。

研究人員通過實時的拉曼光譜測量，精確標定了每次散射前原子的平均剩余聲子數(shù) n?，范圍從 0.08 到 0.37。將這個經(jīng)典加熱效應(yīng)納入理論后，修正的可見度公式變?yōu)?V=exp(-2η2eff)，其中ηeff = η√(2n?+1)。實驗數(shù)據(jù)與修正理論的完美吻合，不僅驗證了互補性原理，更展示了量子系統(tǒng)如何在真實環(huán)境中經(jīng)歷從量子到經(jīng)典的漸進過渡。

這項工作的意義遠不止于為一場世紀辯論提供實驗裁決。從量子信息科學(xué)的角度看，它為探索光子-原子糾纏的連續(xù)變量特性開辟了新途徑。論文中提到的后續(xù)方向包括對原子動量波函數(shù)的層析成像（Tomography）、制備動量壓縮態(tài)（Momentum Squeezed State）乃至戈特斯曼-基塔耶夫-普列斯基爾態(tài)（Gottesman-Kitaev-Preskill State，簡稱 GKP 態(tài)），這些都是容錯量子計算的核心資源。

更誘人的前景在于，通過逐步增加這個“可移動狹縫”的質(zhì)量，或許能夠探測到量子退相干（Decoherence）與引力的微妙關(guān)聯(lián)，這正是當今量子基礎(chǔ)理論最前沿的課題。

有意思的是，2025 年被聯(lián)合國定為國際量子科學(xué)技術(shù)年（International Year of Quantum Science and Technology），紀念量子力學(xué)誕生一百周年。而愛因斯坦與玻爾在索爾維會議上的那場辯論發(fā)生在 1927 年，恰好是量子力學(xué)誕生兩年后。歷史的巧合似乎有意安排 MIT 和中國科大的團隊在這個特殊的年份，用實驗為那場曠世爭論寫下注腳。

當然，科學(xué)的進步從來不是終點，而是新起點。玻爾贏得了這場關(guān)于互補性的辯論，但愛因斯坦關(guān)于量子力學(xué)完備性的質(zhì)疑，即著名的 EPR 佯謬（Einstein-Podolsky-Rosen Paradox），卻催生了貝爾不等式（Bell's Inequality）和后來對量子非定域性的一系列實驗驗證，反而推動了量子信息革命。

在某種意義上，兩位巨人的爭論都是對的：愛因斯坦追問的是“為什么”，玻爾回答的是“是什么”。前者驅(qū)動我們不斷拓展認知邊界，后者教會我們尊重自然的真實面貌。

當實驗室里的單個原子在光鑷中等待，與一個光子完成量子糾纏的瞬間，一個延續(xù)了 98 年的科學(xué)故事終于塵埃落定。但新的問題已在地平線上浮現(xiàn)：當這個原子的質(zhì)量逐漸增大，從微觀走向介觀乃至宏觀，量子世界與經(jīng)典世界的邊界究竟在哪里？退相干從何而來？量子引力效應(yīng)何時顯現(xiàn)？

愛因斯坦和玻爾如果泉下有知，或許會欣然看到，他們當年的思想交鋒并未隨著一方獲勝而終結(jié)，反而像一粒種子，在百年后的實驗室里開出了更絢爛的花。

參考資料：

1.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/93zb-lws3

2.https://physics.aps.org/articles/v18/s150

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