人類首次實(shí)現(xiàn)12個原子洪-歐-曼德爾干涉，刷新多粒子量子干涉紀(jì)錄

如果把兩個乒乓球同時丟到一個岔路口。

前面只有左右兩條路。

正常情況下，它們有可能一起往左，也可能一起往右，更大的概率是一左一右，各走各的。

這是經(jīng)典世界。

可量子世界偏偏喜歡和人的直覺唱反調(diào)。

1987年，兩位物理學(xué)家鄭伯昆（Chung Ki Hong）和奧烏·曼德爾（Ou Mandel）做了一個后來被寫進(jìn)幾乎所有量子光學(xué)教材的實(shí)驗(yàn)。

他們讓兩顆完全相同的光子，同時撞上一塊特殊的分束器。

按照概率計(jì)算，一顆光子向左、一顆光子向右，本應(yīng)該經(jīng)常發(fā)生。

結(jié)果卻是零。

一次都沒有。

兩顆光子像提前商量好了一樣，要么一起向左，要么一起向右，死活不肯分開。

這個現(xiàn)象后來被命名為Hong–Ou–Mandel效應(yīng)，簡稱HOM效應(yīng)。

它不僅是量子力學(xué)最經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)之一，也是量子計(jì)算、量子通信、量子精密測量等領(lǐng)域最重要的基礎(chǔ)之一。

可幾十年來，還有一個更大的問題始終擺在那里。

如果不是兩顆粒子，而是四顆、六顆、八顆，甚至十幾顆，它們還能保持這種默契嗎？

最近，德國航空航天中心（DLR）的研究團(tuán)隊(duì)終于給出了答案。

他們成功讓12個完全不可區(qū)分的銣原子同時發(fā)生Hong–Ou–Mandel干涉，論文發(fā)表在《Nature Physics》。

這不是把2變成12那么簡單。

嚴(yán)格來說，這是第一次真正證明，十幾個原子能夠作為一個整體共同參與同一次量子干涉。

聽起來只是數(shù)字增加了一點(diǎn)點(diǎn)，實(shí)際上難度卻幾乎不是一個數(shù)量級。

原因很簡單。

兩個人保持一致，不難。

十二個人同時保持一致，而且每個人都不能有任何差別，這幾乎就是另一回事了。

在量子世界里也是一樣。

對于HOM效應(yīng)來說，所有參與干涉的粒子都必須完全不可區(qū)分。

不僅質(zhì)量一樣、能量一樣、自旋一樣，就連運(yùn)動狀態(tài)、空間位置、內(nèi)部量子態(tài)都必須一致。

只要有一個粒子稍微"露餡"，整個干涉都會被破壞。

這也是為什么過去幾十年，這類實(shí)驗(yàn)幾乎都集中在光子身上。

因?yàn)楣庾拥目刂萍夹g(shù)已經(jīng)非常成熟，可以制造出幾乎一模一樣的單光子，再利用各種高精度探測器記錄它們最終去了哪里。

即便如此，光子數(shù)量一旦增加，實(shí)驗(yàn)也會迅速變得困難。

光子會損失，會受到噪聲影響，也可能并沒有想象中那么完全一致。

隨著粒子數(shù)量不斷增加，實(shí)驗(yàn)誤差會越來越大，最后很難分清到底是量子效應(yīng)，還是設(shè)備本身出了問題。

相比之下，用中性原子做這件事更難。

因?yàn)樵硬幌窆庾幽菢优艿蔑w快，也不像電子那樣容易操控。

它們有質(zhì)量，會受到重力影響，還會彼此發(fā)生碰撞。

研究人員首先需要把大約250個銣原子冷卻到接近絕對零度。

溫度低到什么程度？

低到這些原子幾乎停止熱運(yùn)動，全部進(jìn)入同一種量子狀態(tài)，形成著名的玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)

這是愛因斯坦在一百多年前預(yù)言的一種特殊物質(zhì)狀態(tài)。

在這種狀態(tài)下，原本互相獨(dú)立的大量原子，會開始表現(xiàn)得像一個巨大的"量子整體"。

隨后，研究人員再利用原子之間的自旋碰撞，讓這些原子自動成對產(chǎn)生兩種不同的自旋狀態(tài)。

這些數(shù)量完全相同的原子，就是實(shí)驗(yàn)真正需要的"參賽選手"。

接下來，他們沒有使用傳統(tǒng)光學(xué)里的玻璃分束器，而是利用一系列微波脈沖，構(gòu)造出一個完全等價的50:50量子分束器。

理論上，每個原子都有一半概率進(jìn)入左邊，一半概率進(jìn)入右邊。

如果只是普通概率游戲，那么最后左右兩邊應(yīng)該出現(xiàn)各種不同組合。

例如6個對6個、5個對7個、4個對8個……

但如果真正發(fā)生Hong–Ou–Mandel干涉，事情就完全不同了。

原子開始"抱團(tuán)"。

它們寧愿一起去左邊，也寧愿一起去右邊，就是不愿意平均分開。

然而，要證明這一點(diǎn)，還有一個更加頭疼的問題。

你得數(shù)清楚每一個原子。

別覺得這是件簡單事。

對于研究團(tuán)隊(duì)來說，他們最大的敵人甚至不是量子干涉，而是"看不清"。

普通探測器產(chǎn)生的噪聲，比一個原子的信號還要大。

換句話說，就算實(shí)驗(yàn)真的成功了，你也可能根本不知道到底有幾個原子在那里。

就像一個人在體育館里拍手，而旁邊幾十萬人同時鼓掌。

真正想聽到那一下拍手，幾乎是不可能的。

真正的突破，就出現(xiàn)在這里。

研究人員沒有繼續(xù)改進(jìn)探測器，而是換了一個思路。

他們給這些超冷原子打上激光。

當(dāng)然，不是真的拿激光去燒它們，而是利用六束來自不同方向的激光，把原子"困"在一個極小的空間里。

物理學(xué)上把這種裝置叫做光學(xué)糖漿（Optical Molasses）

名字挺甜，原理其實(shí)也很形象。

如果你把一個球扔進(jìn)真正的糖漿里，它不會立刻飛出去，而是會被黏住，速度越來越慢。

激光對原子的作用也是類似。

無論原子往哪個方向跑，總會受到一個反向的阻力，讓它停留得更久。

原子停留的時間越長，發(fā)出的熒光就越多。

這樣一來，每個原子的信號都會被放大，原本幾乎淹沒在噪聲里的信息終于能夠被準(zhǔn)確記錄下來。

最后，他們把計(jì)數(shù)誤差壓到了0.2個原子

別小看這個數(shù)字。

以前很多實(shí)驗(yàn)只能知道"這里大概有幾個原子"。

而這一次，他們幾乎可以做到："這里就是7個，沒有第8個；那里就是5個，不會數(shù)錯。"

這是整個實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。

因?yàn)橹挥邪衙恳淮螌?shí)驗(yàn)里到底有幾個原子、去了哪邊，全都統(tǒng)計(jì)清楚，后面的分析才有意義。

隨后，他們開始不斷重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

兩個原子。

四個原子。

六個原子。

八個原子。

十個原子。

最后一路做到十二個原子。

如果這些原子只是普通地隨機(jī)分布，那么統(tǒng)計(jì)結(jié)果應(yīng)該像鐘形曲線一樣，中間最多，兩邊最少。

例如12個原子進(jìn)入系統(tǒng)，最后6個在左邊、6個在右邊，應(yīng)該最容易出現(xiàn)。

可實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全反過來了。

最常見的不是6比6。

而是12比0，或者0比12。

也就是說，所有原子幾乎都會一起跑到同一個出口。

這種現(xiàn)象，就叫Bunching，中文通常翻譯成"聚束"。

你可以把它想象成一群人過獨(dú)木橋。

經(jīng)典物理世界里，每個人都會自己選擇路線，所以最后大概左右各一半。

可量子世界里的這些玻色子卻像一個旅行團(tuán)。

導(dǎo)游往哪走，全團(tuán)就往哪走。

沒有人掉隊(duì)，也沒有人偷偷改路線。

當(dāng)然，僅憑這一點(diǎn)，還不能證明十二個原子真的作為一個整體發(fā)生了干涉。

因?yàn)檫€有另一種可能。

比如12個原子其實(shí)被分成了6組。

每組兩個原子，各自發(fā)生普通的HOM效應(yīng)。

最后看起來，好像也是很多原子聚到一起。

但實(shí)際上，它們彼此之間根本沒有真正關(guān)聯(lián)。

為了排除這種可能，研究團(tuán)隊(duì)又做了另外兩項(xiàng)檢驗(yàn)。

第一項(xiàng)，是檢查輸出結(jié)果的奇偶性。

如果是真正的Hong-Ou-Mandel干涉，那么左右兩個出口里的原子數(shù)，理論上幾乎都應(yīng)該是偶數(shù)。

因?yàn)閮蓚€、兩個地抱團(tuán)，自然不會輕易出現(xiàn)奇數(shù)。

實(shí)驗(yàn)確實(shí)如此。

一直到10個原子，奇數(shù)結(jié)果幾乎完全消失。

到了12個原子，雖然實(shí)驗(yàn)誤差開始變大，但奇數(shù)事件依然受到非常明顯的抑制。

不過，研究人員自己也承認(rèn)，這還不夠。

因?yàn)閮蓚€粒子的干涉，同樣可以產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

真正決定性的證據(jù)，是最后一項(xiàng)分析。

那就是糾纏深度（Entanglement Depth）

簡單來說，它回答的是一個問題：

這些原子，到底是幾個小團(tuán)體各玩各的，還是所有原子真的連成了一個整體？

計(jì)算結(jié)果非常漂亮。

研究人員確認(rèn)，8個原子時，可以證明全部8個原子都參與了同一個糾纏體系。

到了12個原子，他們雖然還不能百分之百確認(rèn)12個全部參與，但已經(jīng)能夠以68%的統(tǒng)計(jì)置信度證明，其中至少有10個原子屬于同一個量子糾纏整體

換句話說，這已經(jīng)不是兩三個粒子之間的小配合。

而是真正的大規(guī)模集體協(xié)作。

這種現(xiàn)象，在過去幾乎只存在于理論推導(dǎo)里。

更重要的是，這不僅僅是一場"刷新紀(jì)錄"的實(shí)驗(yàn)。

它真正吸引物理學(xué)家的地方，在于測量精度。

量子世界里一直有一個非常重要的極限，叫海森堡極限

它代表自然界允許達(dá)到的最高測量精度。

普通測量隨著粒子數(shù)量增加，精度提升得并不快，大約遵循平方根規(guī)律。

如果想讓誤差縮小一半，你往往需要四倍數(shù)量的粒子。

可一旦這些粒子全部發(fā)生真正的量子糾纏，情況就完全不同了。

測量精度幾乎可以隨著粒子數(shù)量線性增長。

這是量子計(jì)量學(xué)幾十年來一直追求的目標(biāo)。

這次實(shí)驗(yàn)測得的費(fèi)舍爾信息，比經(jīng)典極限高出了6.4分貝

這個數(shù)字意味著，他們已經(jīng)明顯跨過了傳統(tǒng)測量方法能夠達(dá)到的極限，開始真正進(jìn)入量子增強(qiáng)測量的領(lǐng)域。

研究團(tuán)隊(duì)甚至估計(jì)，如果未來把這套技術(shù)擴(kuò)展到一萬個玻色—愛因斯坦凝聚原子，理論上的測量精度優(yōu)勢最高可以達(dá)到100倍

這意味著什么？

未來的原子鐘、重力探測器、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，甚至尋找暗物質(zhì)和引力波的新型量子傳感器，都可能因此獲得數(shù)量級上的提升。

當(dāng)然，現(xiàn)在距離真正應(yīng)用還有很長的路。

12個原子已經(jīng)很了不起，但距離真正的大規(guī)模量子設(shè)備，還差幾個數(shù)量級。

不過，這項(xiàng)工作的意義，本來也不只是創(chuàng)造一個新的數(shù)字紀(jì)錄。

它證明了一件以前沒人真正做到過的事情。

大量中性原子，不僅能夠彼此保持完全不可區(qū)分，還能夠作為一個真正的整體，共同參與一次量子干涉。

幾十年前，人們第一次看到兩顆光子像商量好一樣走向同一個出口。

今天，人們看到的是十二個原子同時做出了同一個選擇。

量子世界依舊沒有變得更符合我們的直覺。

恰恰相反。

隨著實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υ絹碓綇?qiáng)，它反而一次又一次提醒我們：真正奇怪的，從來不是量子力學(xué)，而是我們的直覺。

（參考：Quensen et al, Hong–Ou–Mandel interference of more than ten indistinguishable atoms,

Nature Physics

(2026).

DOI: 10.1038/s41567-026-03302-7