人类首次实现12个原子洪-欧-曼德尔干涉，刷新多粒子量子干涉纪录

如果把两个乒乓球同时丢到一个岔路口。

前面只有左右两条路。

正常情况下，它们有可能一起往左，也可能一起往右，更大的概率是一左一右，各走各的。

这是经典世界。

可量子世界偏偏喜欢和人的直觉唱反调。

1987年，两位物理学家郑伯昆（Chung Ki Hong）和奥乌·曼德尔（Ou Mandel）做了一个后来被写进几乎所有量子光学教材的实验。

他们让两颗完全相同的光子，同时撞上一块特殊的分束器。

按照概率计算，一颗光子向左、一颗光子向右，本应该经常发生。

结果却是零。

一次都没有。

两颗光子像提前商量好了一样，要么一起向左，要么一起向右，死活不肯分开。

这个现象后来被命名为Hong–Ou–Mandel效应，简称HOM效应。

它不仅是量子力学最经典的实验之一，也是量子计算、量子通信、量子精密测量等领域最重要的基础之一。

可几十年来，还有一个更大的问题始终摆在那里。

如果不是两颗粒子，而是四颗、六颗、八颗，甚至十几颗，它们还能保持这种默契吗？

最近，德国航空航天中心（DLR）的研究团队终于给出了答案。

他们成功让12个完全不可区分的铷原子同时发生Hong–Ou–Mandel干涉，论文发表在《Nature Physics》。

这不是把2变成12那么简单。

严格来说，这是第一次真正证明，十几个原子能够作为一个整体共同参与同一次量子干涉。

听起来只是数字增加了一点点，实际上难度却几乎不是一个数量级。

原因很简单。

两个人保持一致，不难。

十二个人同时保持一致，而且每个人都不能有任何差别，这几乎就是另一回事了。

在量子世界里也是一样。

对于HOM效应来说，所有参与干涉的粒子都必须完全不可区分。

不仅质量一样、能量一样、自旋一样，就连运动状态、空间位置、内部量子态都必须一致。

只要有一个粒子稍微"露馅"，整个干涉都会被破坏。

这也是为什么过去几十年，这类实验几乎都集中在光子身上。

因为光子的控制技术已经非常成熟，可以制造出几乎一模一样的单光子，再利用各种高精度探测器记录它们最终去了哪里。

即便如此，光子数量一旦增加，实验也会迅速变得困难。

光子会损失，会受到噪声影响，也可能并没有想象中那么完全一致。

随着粒子数量不断增加，实验误差会越来越大，最后很难分清到底是量子效应，还是设备本身出了问题。

相比之下，用中性原子做这件事更难。

因为原子不像光子那样跑得飞快，也不像电子那样容易操控。

它们有质量，会受到重力影响，还会彼此发生碰撞。

研究人员首先需要把大约250个铷原子冷却到接近绝对零度。

温度低到什么程度？

低到这些原子几乎停止热运动，全部进入同一种量子状态，形成著名的玻色—爱因斯坦凝聚态

这是爱因斯坦在一百多年前预言的一种特殊物质状态。

在这种状态下，原本互相独立的大量原子，会开始表现得像一个巨大的"量子整体"。

随后，研究人员再利用原子之间的自旋碰撞，让这些原子自动成对产生两种不同的自旋状态。

这些数量完全相同的原子，就是实验真正需要的"参赛选手"。

接下来，他们没有使用传统光学里的玻璃分束器，而是利用一系列微波脉冲，构造出一个完全等价的50:50量子分束器。

理论上，每个原子都有一半概率进入左边，一半概率进入右边。

如果只是普通概率游戏，那么最后左右两边应该出现各种不同组合。

例如6个对6个、5个对7个、4个对8个……

但如果真正发生Hong–Ou–Mandel干涉，事情就完全不同了。

原子开始"抱团"。

它们宁愿一起去左边，也宁愿一起去右边，就是不愿意平均分开。

然而，要证明这一点，还有一个更加头疼的问题。

你得数清楚每一个原子。

别觉得这是件简单事。

对于研究团队来说，他们最大的敌人甚至不是量子干涉，而是"看不清"。

普通探测器产生的噪声，比一个原子的信号还要大。

换句话说，就算实验真的成功了，你也可能根本不知道到底有几个原子在那里。

就像一个人在体育馆里拍手，而旁边几十万人同时鼓掌。

真正想听到那一下拍手，几乎是不可能的。

真正的突破，就出现在这里。

研究人员没有继续改进探测器，而是换了一个思路。

他们给这些超冷原子打上激光。

当然，不是真的拿激光去烧它们，而是利用六束来自不同方向的激光，把原子"困"在一个极小的空间里。

物理学上把这种装置叫做光学糖浆（Optical Molasses）

名字挺甜，原理其实也很形象。

如果你把一个球扔进真正的糖浆里，它不会立刻飞出去，而是会被黏住，速度越来越慢。

激光对原子的作用也是类似。

无论原子往哪个方向跑，总会受到一个反向的阻力，让它停留得更久。

原子停留的时间越长，发出的荧光就越多。

这样一来，每个原子的信号都会被放大，原本几乎淹没在噪声里的信息终于能够被准确记录下来。

最后，他们把计数误差压到了0.2个原子

别小看这个数字。

以前很多实验只能知道"这里大概有几个原子"。

而这一次，他们几乎可以做到："这里就是7个，没有第8个；那里就是5个，不会数错。"

这是整个实验成功的关键。

因为只有把每一次实验里到底有几个原子、去了哪边，全都统计清楚，后面的分析才有意义。

随后，他们开始不断重复实验。

两个原子。

四个原子。

六个原子。

八个原子。

十个原子。

最后一路做到十二个原子。

如果这些原子只是普通地随机分布，那么统计结果应该像钟形曲线一样，中间最多，两边最少。

例如12个原子进入系统，最后6个在左边、6个在右边，应该最容易出现。

可实验结果完全反过来了。

最常见的不是6比6。

而是12比0，或者0比12。

也就是说，所有原子几乎都会一起跑到同一个出口。

这种现象，就叫Bunching，中文通常翻译成"聚束"。

你可以把它想象成一群人过独木桥。

经典物理世界里，每个人都会自己选择路线，所以最后大概左右各一半。

可量子世界里的这些玻色子却像一个旅行团。

导游往哪走，全团就往哪走。

没有人掉队，也没有人偷偷改路线。

当然，仅凭这一点，还不能证明十二个原子真的作为一个整体发生了干涉。

因为还有另一种可能。

比如12个原子其实被分成了6组。

每组两个原子，各自发生普通的HOM效应。

最后看起来，好像也是很多原子聚到一起。

但实际上，它们彼此之间根本没有真正关联。

为了排除这种可能，研究团队又做了另外两项检验。

第一项，是检查输出结果的奇偶性。

如果是真正的Hong-Ou-Mandel干涉，那么左右两个出口里的原子数，理论上几乎都应该是偶数。

因为两个、两个地抱团，自然不会轻易出现奇数。

实验确实如此。

一直到10个原子，奇数结果几乎完全消失。

到了12个原子，虽然实验误差开始变大，但奇数事件依然受到非常明显的抑制。

不过，研究人员自己也承认，这还不够。

因为两个粒子的干涉，同样可以产生这种现象。

真正决定性的证据，是最后一项分析。

那就是纠缠深度（Entanglement Depth）

简单来说，它回答的是一个问题：

这些原子，到底是几个小团体各玩各的，还是所有原子真的连成了一个整体？

计算结果非常漂亮。

研究人员确认，8个原子时，可以证明全部8个原子都参与了同一个纠缠体系。

到了12个原子，他们虽然还不能百分之百确认12个全部参与，但已经能够以68%的统计置信度证明，其中至少有10个原子属于同一个量子纠缠整体

换句话说，这已经不是两三个粒子之间的小配合。

而是真正的大规模集体协作。

这种现象，在过去几乎只存在于理论推导里。

更重要的是，这不仅仅是一场"刷新纪录"的实验。

它真正吸引物理学家的地方，在于测量精度。

量子世界里一直有一个非常重要的极限，叫海森堡极限

它代表自然界允许达到的最高测量精度。

普通测量随着粒子数量增加，精度提升得并不快，大约遵循平方根规律。

如果想让误差缩小一半，你往往需要四倍数量的粒子。

可一旦这些粒子全部发生真正的量子纠缠，情况就完全不同了。

测量精度几乎可以随着粒子数量线性增长。

这是量子计量学几十年来一直追求的目标。

这次实验测得的费舍尔信息，比经典极限高出了6.4分贝

这个数字意味着，他们已经明显跨过了传统测量方法能够达到的极限，开始真正进入量子增强测量的领域。

研究团队甚至估计，如果未来把这套技术扩展到一万个玻色—爱因斯坦凝聚原子，理论上的测量精度优势最高可以达到100倍

这意味着什么？

未来的原子钟、重力探测器、惯性导航系统，甚至寻找暗物质和引力波的新型量子传感器，都可能因此获得数量级上的提升。

当然，现在距离真正应用还有很长的路。

12个原子已经很了不起，但距离真正的大规模量子设备，还差几个数量级。

不过，这项工作的意义，本来也不只是创造一个新的数字纪录。

它证明了一件以前没人真正做到过的事情。

大量中性原子，不仅能够彼此保持完全不可区分，还能够作为一个真正的整体，共同参与一次量子干涉。

几十年前，人们第一次看到两颗光子像商量好一样走向同一个出口。

今天，人们看到的是十二个原子同时做出了同一个选择。

量子世界依旧没有变得更符合我们的直觉。

恰恰相反。

随着实验能力越来越强，它反而一次又一次提醒我们：真正奇怪的，从来不是量子力学，而是我们的直觉。

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

Nature Physics

(2026).

DOI: 10.1038/s41567-026-03302-7