研究人員最近證實，成對的氦原子可以同時存在於兩個不同位置（即量子疊加態），且彼此的運動仍保持關聯（即量子糾纏），這是相對於光子等無靜止質量的粒子，首次在具有質量的粒子中觀測到這種現象。

這一成果將量子行為延伸至具有質量、並受重力影響的系統，使關於量子物理與重力如何交互作用的長期未解之謎，更接近可直接檢驗的階段。該研究於2月發表在《自然‧通訊》期刊（Nature Communications）。

糾纏的氦原子

在超過35,000次實驗運行中，成對的氦原子在空間中移動時，其軌跡呈現出同時維持兩條路徑的狀態，而非塌縮為單一軌跡。

澳洲國立大學（Australian National University）的實驗物理學家肖恩‧霍奇曼博士（Dr. Sean Hodgman）及其團隊記錄到這些關聯路徑，呈現為穩定的干涉圖樣；即使原子在重力作用下下落，這些路徑仍呈現穩定的干涉圖樣。

不同於早期使用光子進行的實驗，這些原子在整個過程中都具有質量，因此其運動發生在與日常物質相同的物理條件下。這既是成果的重要性所在，也界定了其侷限性——因為若要將這種行為延伸至更遠的距離或更強的重力條件下，將需要更精密的控制。

研究團隊觀察到的現象是「量子糾纏」——一種量子連結，即使兩個粒子相隔甚遠，「量子糾纏」仍會將它們綁定為一個共同的結果。

透過改變裝置的相位，研究人員讓兩個原子的結果能夠同步上升或降，而非彼此保持獨立。

這種對相位敏感的上下擺動稱為「貝爾相關性」（Bell correlations），其模式強烈到足以排除許多傳統的經典解釋。

當這些經典解釋逐漸被排除後，「物質能在沒有經典連結的情況下跨距離表現出關聯」這一更大膽的主張，也就變得更難被否認。

如何讓原子分開

首先，研究人員製造出一個玻色–愛因斯坦凝聚（BEC），也就是一團被冷卻到行為如同單一波動的原子雲。接著，雷射脈衝將這團原子雲分成不同動量的部份，使分離出的各部份彼此碰撞，產生成對的、朝相反方向飛行的原子。

由於動量必須守恆，其中一個原子的運動會決定另一個原子的運動，使這對原子在被偵測之前就具備匹配的路徑。這一準備步驟至關重要，因為只有當兩條可能路徑對探測器而言仍然無法區分時，後續的干涉現象才會出現。

探測到每個抵達的氦原子

在距離陷阱下方約33吋（約84厘米）處，一個板式探測器記錄到單個氦原子，這些原子在飛行約0.4秒後抵達。

這一點非常關鍵，因為只要漏掉一個氦原子，就可能抹去原子的配對模式圖樣；相反地，精確的單次偵測則能保留哪一顆原子與哪一顆配對的資訊。

氦原子的優勢在於，它們儲存了額外的內部能量，使每個抵達的氦原子都能觸發足夠強的電訊號，足以被探測器記錄下來。

更高精度的偵測能力，也是為何這次實驗能夠成功、而過去的嘗試失敗的重要原因之一——這一點是研究團隊反覆強調的重點。

獲得訊號的重要性

當研究團隊調整控制相位時，干涉對比度提升至0.86的振幅，接近理想值1。在最強的點上，結果超過團隊設定的統計門檻約3.9個標準差（sigma），標準差是衡量統計差異程度的常用指標。

不過，這套實驗裝置仍缺乏在兩側進行獨立控制的能力，使其無法成為最嚴謹的貝爾測試。

該澳洲國立大學實驗室先前進行的研究，已證實原子內部態存在貝爾相關性，而這次則是將「運動」這個最困難的部份補上了。

宇宙竟然是這樣運作的

來自澳洲國立大學的一支官方影片記錄了，當數據最終得到驗證後，研究人員也坦言對這項結果感到不可思議。「對我們來說，想到宇宙竟然是這樣運作的，真的非常奇怪。」霍奇曼博士說。

這種反應與研究結果相符，因為原子在傳播過程中表現得像波，但在被偵測到時卻是以獨立粒子的形式出現。

原子同時具備這兩種性質，正是讓干涉現象得以持續足夠長的時間，進而讓糾纏現象得以顯現的關鍵。

一個世紀以來的論點

長久以來，量子理論一直主張物質應會與自身產生干涉，然而如何對具有質量的移動中的粒子進行清晰明確的實驗測試，一直困難重重。

霍奇曼表示，這項新成果終於將這個「古老」的理論確實地落實到原子上，而非僅限於光子上。

光子較早被用於實驗，能讓物理學家更早達成這些成果，是因為光子更容易操控、分束與偵測，而且不必擔心重力下墜的問題。

將研究從光子轉向原子，雖未解決最深層的疑問，但將這些問題帶入了一個更可被測試的實驗環境中。

重力之後開始登場

由於氦原子具有質量，較長時間的實驗會讓重力開始直接影響量子態，而不再像以往那樣被視為背景因素。

這就是為甚麼作者們指出，未來可用來測試「弱等效原理」的原因——這項原理主張重力對所有質量的作用方式相同。

他們還指出，更乾淨的分離實驗可用來研究「退相干」現象，即量子行為會因外界干擾而消失的現象。

雖然本次實驗尚未達成這兩項目標，但唯有當物質本身進入糾纏測試時，這兩項目標才真正變得可行。

展望未來

除了用於基礎研究之外，具備運動關聯（motion-linked）特性（即量子糾纏）的原子，能使干涉圖譜（interference patterns）比傳統的原子測量更為精確，進而提升感測器的效能。

下一步實驗目標之一，是在兩側具有獨立控制的條件下進行更嚴謹的貝爾測試，理想情況下應在原子間距更遠時進行。

該論文估計，要關閉關鍵的時間漏洞，至少需要約12吋（約30厘米）的分離距離，而目前偵測器僅有約3吋寬度。這是一項艱鉅但可實現的工程挑戰，因此研究者已開始規劃下一代實驗。

這帶來了甚麼改變

氦原子如今加入了光子之列，可用於貝爾式運動測試，改變了物理學家尋找量子理論與重力理論之間差異的觀察方向。

這項結果雖尚未形成最終理論，卻為未來更精確的實驗奠定了基礎——在那些實驗中，質量、距離與重力皆至關重要。#

（本文參考earth.com的報道）

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