中国团队解决爱因斯坦-玻尔量子争论
中国研究人员重现了阿尔伯特·爱因斯坦的一个著名思想实验，为量子力学遵循爱因斯坦几十年来一直怀疑的规则提供了明确证据。该研究于周三发表在《物理评论快报》上——这是美国物理学会的一份顶级期刊——结束了1927年在布鲁塞尔索尔维会议上引发的辩论。由潘建伟领导的团队——他常被称为中国的“量子之父”——来自中国科学技术大学（USTC），使用尖端技术以空前的精度测试了量子核心理念。
这一突破证实了尼尔斯·玻尔的互补性原理：粒子既表现为波又表现为粒子，但无法同时测量两者而不让其中一个消失。该实验的敏感度——能够检测单个光子的力——标志着一个里程碑，尤其是在2025年庆祝联合国量子科学与技术国际年之际。这一全球倡议纪念量子力学形成100周年，突显其在智能手机到医学成像等领域的角色。
潘建伟的团队不仅仅证明了一个理论；他们构建了一个比以往尝试敏感1000倍的装置，正如论文摘要所述。这个装置将单个铷原子冷却至接近绝对零度，使用激光光模仿爱因斯坦的“可移动墙”。结果与量子预测完美契合，平息了质疑理论基础的怀疑论者。
1927年索尔维会议上爱因斯坦-玻尔的历史性较量
故事始于1927年10月的索尔维会议，这是在布鲁塞尔举行的物理学皇室聚会。阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、玛丽·居里、维尔纳·海森堡、埃尔温·薛定谔等人出席，它成为量子辩论的发源地。爱因斯坦对量子力学的随机性感到不安，挑战玻尔的哥本哈根诠释——现实依赖于观察的想法。
爱因斯坦修改了经典的双缝实验，其中光或粒子穿过两个缝隙，形成像水面涟漪一样的干涉图案。他提出在缝隙之间放置一个“可移动墙”，它能感受到单个光子通过时产生的微小“冲击”。爱因斯坦认为，这将揭示光子的路径——它通过哪个缝隙——而不会破坏波状干涉图案。如果成功，这将证明粒子有确定的路径，破坏量子不确定性。
玻尔连夜做出了 brilliant 反驳。他证明墙自身的量子性质——其位置和动量由海森堡不确定性原理相连——会模糊任何测量。观察路径不可避免地会干扰干涉，迫使光子表现为粒子而非波。这种来回持续了好几天，爱因斯坦每天早上提出新挑战，玻尔晚上予以反驳。正如历史学家亚伯拉罕·佩斯在《上帝是微妙的》中写道：“玻尔如此彻底地捍卫了量子力学，以至于没有留下进一步攻击的余地。”
近一个世纪以来，这个“炸弹测试”或“爱因斯坦盒子”一直是理论性的。没有技术能检测光子微小的力（约 10−3410−34 焦耳秒，根据普朗克常数）而不产生巨大干扰。20世纪80年代使用较大探测器的早期尝试因热噪声和冷却不足而失败。
中国团队如何将爱因斯坦的愿景变为现实
USTC团队用一个巧妙的装置克服了这些障碍。他们将单个铷-87原子冷却至10微开尔文——仅比绝对零度高百万分之一度——使用1990年代诺贝尔获奖的激光冷却技术。这个原子被交汇激光束形成的[光镊]中捕获，作为爱因斯坦的可移动元件。
以下是论文中详述的逐步过程：
- 光子干涉设置：单个光子通过双缝装置，产生波干涉图案投射到探测屏上。
- 原子相互作用：光子擦过捕获的原子，施加微小反冲力。
- 可变陷阱强度：
- 弱陷阱：原子以纳米级晃动，其位置偏移揭示光子路径（哪个缝隙）。但干涉图案消失，正如互补性所预测。
- 强陷阱：原子几乎不动（亚阿米级精度），隐藏路径信息。干涉图案清晰重现。
- 测量：使用量子气体显微镜进行高级成像，读取原子状态而不进一步干扰。
超过100,000次试验的数据显示完美互补性：路径知识和干涉相互排斥，匹配量子数学如波函数坍缩。审稿人称其为“美丽”和“一个持续一个世纪的思想实验的教科书式实现”，据APS新闻发布。
这不是潘建伟的第一次。他位于合肥的实验室在2017年使用76光子处理器实现了“量子优越性”，并在2016年发射了世界首颗量子卫星“墨子号”，用于防黑客通信。中国自2016年以来150亿美元的量子投入使其成为全球领导者，在专利数量上超过美国（超过1,000 vs. 500，据2024年WIPO报告）。
量子技术的深远影响
除了解决历史问题，这个平台开启了新研究。APS指出，它“提供了探索量子力学其他不太确立方面的潜力”，如纠缠（粒子间的诡异链接）与退相干（量子态在噪声环境中崩溃）。
关键应用包括：
- 更稳定的量子比特：量子计算机每操作错误率达1%；这可能减少退相干，实现超越当今100量子比特噪声机器（如IBM 2024 Eagle）的实用计算。
- 超精密传感器：以光子级敏感度检测引力波或暗物质，帮助无需GPS的导航。
- 安全网络：测试量子中继器，用于全球互联网加密，建立在中国2000公里“墨子号”链接基础上。
量子技术已驱动现实工具：手机中的晶体管、条码扫描仪中的激光、MRI对比剂。2024年全球投资超过400亿美元（麦肯锡），中国、欧盟和美国竞相争夺霸权。然而“怪异性”持续存在——爱因斯坦称纠缠为“远距离 spooky action”。玻尔的胜利强化了理论，但量子引力等谜题仍存。
正如《自然》物理编辑莱斯·哈顿在发表后评论 “这个优雅测试平台可能探测多世界或导波等诠释，这些长期被视为不可测试。”未来运行可能添加纠缠光子或测量时间-能量不确定性，进一步推动边界。
在联合国的量子百年年，中国这一壮举凸显亚洲崛起。期待衍生品 USTC计划开放访问版本供全球合作者使用，加速从实验室到市场的发现。
