科学家给原子波函数拍照，终于准确的看清了薛定谔的猫

打工人 · 2025-4-6 20:45:27

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巴黎高等师范学院实验室里，一块指甲盖大小的超冷锂原子云正躺在激光编织的‘鸡蛋盒’里。当物理学家按下快门，显微镜镜头下突然亮起密密麻麻的红点——每个光斑对应着一个被锁在晶格中的原子。这看似普通的画面，却藏着量子物理领域等待了百年的突破：人类第一次在连续空间中对单原子波包演化进行直接成像。2025年3月12日，《物理评论快报》用九页篇幅记录了这项颠覆性技术。

图释：超冷 6Li 云的单原子成像。每个亮点（红色）表示存在固定在光晶格中的原子（晶格阱不可见）。光斑的大小由物镜的光学分辨率决定，晶格阱内波函数的实际大小大约小 10 倍。
给概率云拍证件照有多难

传统量子成像如同雾里看花：扫描隧道显微镜能定位原子位置，但会破坏量子态；光晶格成像虽能捕捉原子，却把连续空间离散成网格。就好比用像素马赛克描绘水墨画，丢失了最关键的笔触细节。法国团队这次找到了新方法——他们先让原子在平面内自由扩散形成波包，再用特制光晶格瞬间‘冻结’这些概率云。关键在于晶格启动时机：太快会扭曲波函数，太慢则让原子逃逸。通过上万次实验，他们发现当晶格开启时间控制在0.3毫秒时，定位保真度可达99%以上。

图释：通过将原子位置投影到光晶格的位点上，对在连续空间中扩展的单原子波包（顶行）进行成像。通过重复测量相同制备的波包，我们获得了绝对平方波函数的直方图（底行）。我们的技术用作原子波函数的 CCD 相机。
实验负责人塔里克·叶夫萨打了个比方：‘这就像给狂奔的野马套缰绳，既不能勒太紧伤及马匹，也不能放任它跑出围场。’研究团队为此设计了三重保险：先将原子冷却到绝对零度附近纳开尔文量级，用光晶格固定初始位置；关闭晶格让波包扩散到数个晶格位点规模；最后以特定时序重启晶格完成捕捉。整个过程仅耗时15毫秒，却需要控制87台激光器的协同运作。
看见薛定谔的猫

当研究团队把成像结果与薛定谔方程预测对比时，显示器上的高斯分布曲线完美重合。这意味着他们不仅拍到了波函数，还完整记录了其时间演化。‘过去我们像盲人摸象，现在终于能看见整头大象跳舞。’该成果第一作者约里斯·弗斯特拉顿展示的动图中，红色光斑组成的云团随时间舒展，正是教科书里波包扩散的动态演示。
这项技术突破打开了微观世界的新窗口。在同期发布的另一项研究中，团队已将其应用于费米气体成像，观察到强相互作用下原子集体行为的精细结构。叶夫萨透露，他们正在研究高温超导体中的涡旋动力学：‘就像用高速摄像机捕捉龙卷风内部，或许能解开高温超导机制之谜。’更激动人心的是，该方法适用于任何稀薄量子体系，为拓扑量子计算、量子流体等前沿领域提供了通用观测工具。
量子显微镜的野望
牛津大学量子技术中心主任马克斯·普朗克（未参与该研究）评价道：‘这相当于给每个量子比特装上行车记录仪。’他指出，现有量子模拟器多依赖整体测量，新技术使单粒子级观测成为可能。当被问及技术转化前景时，叶夫萨展示了手机大小的原型机设计图：‘二十年前冷原子装置要占满整个房间，现在我们的成像系统可以集成在鞋盒里。’
不过挑战依然存在。当前技术仅适用于二维平面成像，且需要极低温和超高真空环境。研究团队计划明年尝试三维成像，并开发新型光镊阵列来增强信号强度。正如论文结尾所写：这只是量子可视化的起点我们正在建造观察量子宇宙的哈勃望远镜。’在实验室的监控画面里，新一批锂原子云又开始闪烁——每颗红点都是量子世界向人类眨动的眼睛。