科学家首次观测到成对原子同时存在于两处

两个微观粒子量子纠缠概念图。（Shutterstock）

研究人员最近证实，成对的氦原子可以同时存在于两个不同位置（即量子叠加态），且彼此的运动仍保持关联（即量子纠缠），这是相对于光子等无静止质量的粒子，首次在具有质量的粒子中观测到这种现象。

这一成果将量子行为延伸至具有质量、并受重力影响的系统，使关于量子物理与重力如何交互作用的长期未解之谜，更接近可直接检验的阶段。该研究于2月发表在《自然‧通讯》期刊（Nature Communications）。

纠缠的氦原子

在超过35,000次实验运行中，成对的氦原子在空间中移动时，其轨迹呈现出同时维持两条路径的状态，而非塌缩为单一轨迹。

澳大利亚国立大学（Australian National University）的实验物理学家肖恩‧霍奇曼博士（Dr. Sean Hodgman）及其团队记录到这些关联路径，呈现为稳定的干涉图样;即便原子在重力作用下下落，这些路径仍呈现稳定的干涉图样。

不同于早期使用光子进行的实验，这些原子在整个过程中都具有质量，因此其运动发生在与日常物质相同的物理条件下。这既是成果的重要性所在，也界定了其局限性——因为若要将这种行为延伸至更远的距离或更强的重力条件下，将需要更精密的控制。

研究团队观察到的现象是“量子纠缠”——一种量子连结，即使两个粒子相隔甚远，“量子纠缠”仍会将它们绑定为一个共同的结果。

透过改变装置的相位，研究人员让两个原子的结果能够同步上升或降，而非彼此保持独立。

这种对相位敏感的上下摆动称为“贝尔相关性”（Bell correlations），其模式强烈到足以排除许多传统的经典解释。

当这些经典解释逐渐被排除后，“物质能在没有经典连结的情况下跨距离表现出关联”这一更大胆的主张，也就变得更难被否认。

如何让原子分开

首先，研究人员制造出一个玻色–爱因斯坦凝聚（BEC），也就是一团被冷却到行为如同单一波动的原子云。接着，雷射脉冲将这团原子云分成不同动量的部分，使分离出的各部分彼此碰撞，产生成对的、朝相反方向飞行的原子。

由于动量必须守恒，其中一个原子的运动会决定另一个原子的运动，使这对原子在被侦测之前就具备匹配的路径。这一准备步骤至关重要，因为只有当两条可能路径对探测器而言仍然无法区分时，后续的干涉现象才会出现。

探测到每个抵达的氦原子

在距离陷阱下方约33英寸（约84厘米）处，一个板式探测器记录到单个氦原子，这些原子在飞行约0.4秒后抵达。

这一点非常关键，因为只要漏掉一个氦原子，就可能抹去原子的配对模式图样;相反地，精确的单次侦测则能保留哪一颗原子与哪一颗配对的资讯。

氦原子的优势在于，它们储存了额外的内部能量，使每个抵达的氦原子都能触发足够强的电讯号，足以被探测器记录下来。

更高精度的侦测能力，也是为何这次实验能够成功、而过去的尝试失败的重要原因之一——这一点是研究团队反复强调的重点。

获得讯号的重要性

当研究团队调整控制相位时，干涉对比度提升至0.86的振幅，接近理想值1。在最强的点上，结果超过团队设定的统计门槛约3.9个标准差（sigma），标准差是衡量统计差异程度的常用指标。

不过，这套实验装置仍缺乏在两侧进行独立控制的能力，使其无法成为最严谨的贝尔测试。

该澳大利亚国立大学实验室先前进行的研究，已证实原子内部态存在贝尔相关性，而这次则是将“运动”这个最困难的部分补上了。

宇宙竟然是这样运作的

来自澳大利亚国立大学的一支官方影片记录了，当数据最终得到验证后，研究人员也坦言对这项结果感到不可思议。“对我们来说，想到宇宙竟然是这样运作的，真的非常奇怪。”霍奇曼博士说道。

这种反应与研究结果相符，因为原子在传播过程中表现得像波，但在被侦测到时却是以独立粒子的形式出现。

原子同时具备这两种性质，正是让干涉现象得以持续足够长的时间，进而让纠缠现象得以显现的关键。

一个世纪以来的论点

长久以来，量子理论一直主张物质应会与自身产生干涉，然而如何对具有质量的移动中的粒子进行清晰明确的实验测试，一直困难重重。

霍奇曼表示，这项新成果终于将这个“古老”的理论确实地落实到原子上，而非仅限于光子上。

光子较早被用于实验，能让物理学家更早达成这些成果，是因为光子更容易操控、分束与侦测，而且不必担心重力下坠的问题。

将研究从光子转向原子，虽未解决最深层的疑问，但将这些问题带入了一个更可被测试的实验环境中。

重力之后开始登场

由于氦原子具有质量，较长时间的实验会让重力开始直接影响量子态，而不再像以往那样被视为背景因素。

这就是为什么作者们指出，未来可用来测试“弱等效原理”的原因——这项原理主张重力对所有质量的作用方式相同。

他们还指出，更干净的分离实验可用来研究“退相干”现象，即量子行为会因外界干扰而消失的现象。

虽然本次实验尚未达成这两项目标，但唯有当物质本身进入纠缠测试时，这两项目标才真正变得可行。

展望未来

除了用于基础研究之外，具备运动关联（motion-linked）特性（即量子纠缠）的原子，能使干涉图谱（interference patterns）比传统的原子测量更为精确，进而提升感测器的效能。

下一步实验目标之一，是在两侧具有独立控制的条件下进行更严谨的贝尔测试，理想情况下应在原子间距更远时进行。

该论文估计，要关闭关键的时间漏洞，至少需要约12英寸（约30厘米）的分离距离，而目前侦测器仅有约3英寸宽度。这是一项艰钜但可实现的工程挑战，因此研究者已开始规划下一代实验。

这带来了什么改变

氦原子如今加入了光子之列，可用于贝尔式运动测试，改变了物理学家寻找量子理论与重力理论之间差异的观察方向。

这项结果虽尚未形成最终理论，却为未来更精确的实验奠定了基础——在那些实验中，质量、距离与重力皆至关重要。