人類首次實現12個原子洪-歐-曼德爾干涉，刷新多粒子量子干涉紀錄

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。

這是經典世界。

可量子世界偏偏喜歡和人的直覺唱反調。

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

他們讓兩顆完全相同的光子，同時撞上一塊特殊的分束器。

按照概率計算，一顆光子向左、一顆光子向右，本應該經常發生。

結果卻是零。

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。

這個現象后來被命名為Hong–Ou–Mandel效應，簡稱HOM效應。

它不僅是量子力學最經典的實驗之一，也是量子計算、量子通信、量子精密測量等領域最重要的基礎之一。

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）的研究團隊終于給出了答案。

他們成功讓12個完全不可區分的銣原子同時發生Hong–Ou–Mandel干涉，論文發表在《Nature Physics》。

這不是把2變成12那么簡單。

嚴格來說，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。

聽起來只是數字增加了一點點，實際上難度卻幾乎不是一個數量級。

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效應來說，所有參與干涉的粒子都必須完全不可區分。

不僅質量一樣、能量一樣、自旋一樣，就連運動狀態、空間位置、內部量子態都必須一致。

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，這類實驗幾乎都集中在光子身上。

因為光子的控制技術已經非常成熟，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，光子數量一旦增加，實驗也會迅速變得困難。

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。

隨著粒子數量不斷增加，實驗誤差會越來越大，最后很難分清到底是量子效應，還是設備本身出了問題。

相比之下，用中性原子做這件事更難。

因為原子不像光子那樣跑得飛快，也不像電子那樣容易操控。

它們有質量，會受到重力影響，還會彼此發生碰撞。

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動，全部進入同一種量子狀態，形成著名的玻色—愛因斯坦凝聚態

這是愛因斯坦在一百多年前預言的一種特殊物質狀態。

在這種狀態下，原本互相獨立的大量原子，會開始表現得像一個巨大的"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生兩種不同的自旋狀態。

這些數量完全相同的原子，就是實驗真正需要的"參賽選手"。

接下來，他們沒有使用傳統光學里的玻璃分束器，而是利用一系列微波脈沖，構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入左邊，一半概率進入右邊。

如果只是普通概率游戲，那么最后左右兩邊應該出現各種不同組合。

例如6個對6個、5個對7個、4個對8個……

但如果真正發生Hong–Ou–Mandel干涉，事情就完全不同了。

原子開始"抱團"。

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，還有一個更加頭疼的問題。

你得數清楚每一個原子。

別覺得這是件簡單事。

對于研究團隊來說，他們最大的敵人甚至不是量子干涉，而是"看不清"。

普通探測器產生的噪聲，比一個原子的信號還要大。

換句話說，就算實驗真的成功了，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，就出現在這里。

研究人員沒有繼續改進探測器，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。

物理學上把這種裝置叫做光學糖漿（Optical Molasses）

名字挺甜，原理其實也很形象。

如果你把一個球扔進真正的糖漿里，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確記錄下來。

最后，他們把計數誤差壓到了0.2個原子

別小看這個數字。

以前很多實驗只能知道"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，不會數錯。"

這是整個實驗成功的關鍵。

因為只有把每一次實驗里到底有幾個原子、去了哪邊，全都統計清楚，后面的分析才有意義。

隨后，他們開始不斷重復實驗。

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分布，那么統計結果應該像鐘形曲線一樣，中間最多，兩邊最少。

例如12個原子進入系統，最后6個在左邊、6個在右邊，應該最容易出現。

可實驗結果完全反過來了。

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木橋。

經典物理世界里，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。

導游往哪走，全團就往哪走。

沒有人掉隊，也沒有人偷偷改路線。

當然，僅憑這一點，還不能證明十二個原子真的作為一個整體發生了干涉。

因為還有另一種可能。

比如12個原子其實被分成了6組。

每組兩個原子，各自發生普通的HOM效應。

最后看起來，好像也是很多原子聚到一起。

但實際上，它們彼此之間根本沒有真正關聯。

為了排除這種可能，研究團隊又做了另外兩項檢驗。

第一項，是檢查輸出結果的奇偶性。

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

因為兩個、兩個地抱團，自然不會輕易出現奇數。

實驗確實如此。

一直到10個原子，奇數結果幾乎完全消失。

到了12個原子，雖然實驗誤差開始變大，但奇數事件依然受到非常明顯的抑制。

不過，研究人員自己也承認，這還不夠。

因為兩個粒子的干涉，同樣可以產生這種現象。

真正決定性的證據，是最后一項分析。

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，到底是幾個小團體各玩各的，還是所有原子真的連成了一個整體？

計算結果非常漂亮。

研究人員確認，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12個全部參與，但已經能夠以68%的統計置信度證明，其中至少有10個原子屬于同一個量子糾纏整體

換句話說，這已經不是兩三個粒子之間的小配合。

而是真正的大規模集體協作。

這種現象，在過去幾乎只存在于理論推導里。

更重要的是，這不僅僅是一場"刷新紀錄"的實驗。

它真正吸引物理學家的地方，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到的最高測量精度。

普通測量隨著粒子數量增加，精度提升得并不快，大約遵循平方根規律。

如果想讓誤差縮小一半，你往往需要四倍數量的粒子。

可一旦這些粒子全部發生真正的量子糾纏，情況就完全不同了。

測量精度幾乎可以隨著粒子數量線性增長。

這是量子計量學幾十年來一直追求的目標。

這次實驗測得的費舍爾信息，比經典極限高出了6.4分貝

這個數字意味著，他們已經明顯跨過了傳統測量方法能夠達到的極限，開始真正進入量子增強測量的領域。

研究團隊甚至估計，如果未來把這套技術擴展到一萬個玻色—愛因斯坦凝聚原子，理論上的測量精度優勢最高可以達到100倍

這意味著什么？

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

當然，現在距離真正應用還有很長的路。

12個原子已經很了不起，但距離真正的大規模量子設備，還差幾個數量級。

不過，這項工作的意義，本來也不只是創造一個新的數字紀錄。

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。

隨著實驗能力越來越強，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，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