突破！物理學家成功實現(xiàn)兩原子的量子糾纏

近百年來，量子力學與廣義相對論的不相容，始終是物理學頭頂?shù)暮诵臑踉啤?/p>

前者精準描述微觀粒子的反直覺量子行為，后者完美解釋宏觀宇宙的引力規(guī)律，但兩者卻始終無法在同一物理框架內(nèi)兼容。

2026年2月發(fā)表在《自然·通訊》的突破性實驗，終于為銜接這兩大基礎理論開辟了全新的途徑：

澳大利亞國立大學團隊首次在超冷氦原子的運動狀態(tài)中，觀測到了驗證量子非局域性所需的貝爾關聯(lián)，讓愛因斯坦口中的幽靈般的超距作用，首次在有靜質(zhì)量粒子的運動維度完成了核心實驗驗證。

貝爾不等式是檢驗量子糾纏與非局域性的核心標尺。

簡單來說，它能清晰區(qū)分兩種關聯(lián)：一種是經(jīng)典世界里粒子“提前約定好的默契”，兩個粒子分開之前就定好了各自的屬性，之后不管距離多遠，看起來的聯(lián)動只是在按之前的約定進行，也就是局域隱變量理論能解釋的關聯(lián)；

另一種是量子世界里“跨越空間的瞬時影響”，兩個粒子分開后，哪怕隔了十萬八千里，只要測量其中一個，另一個則會瞬間跟著變動，這就是量子糾纏帶來的突破空間限制的聯(lián)動，也就是量子糾纏帶來的非局域關聯(lián)。

過去數(shù)十年，科學家已在光子偏振、原子內(nèi)部自旋等內(nèi)部自由度上，都多次驗證了量子糾纏的切實存在。

但這些實驗始終未能觸及具有靜質(zhì)量粒子的運動狀態(tài)，而這一狀態(tài)，恰恰是連接量子力學與引力的關鍵橋梁。

引力的作用對象是所有物質(zhì)，但只有擁有靜止質(zhì)量的物體，才能用來做量子力學和引力融合的核心實驗。

粒子的運動狀態(tài)（也就是動量和它的質(zhì)量、運動速度直接相關）是引力能和量子世界產(chǎn)生耦合的獨特核心載體。

光子沒有靜止質(zhì)量，就算能實現(xiàn)動量上的糾纏，也無法完成檢驗量子引力理論的關鍵實驗。

而原子內(nèi)部的自旋狀態(tài)與引力場幾乎不會產(chǎn)生可觀測的相互作用，只有在有靜止質(zhì)量的粒子的運動狀態(tài)上實現(xiàn)穩(wěn)定的量子糾纏，我們才能在實驗室里，直接觀測引力和量子世界的相互作用，從而去檢驗那些目前還只停留在理論層面的量子引力模型。

為了完成這個實驗，研究團隊選了處于亞穩(wěn)態(tài)（一種能穩(wěn)定存在極長時間的特殊激發(fā)態(tài)）的氦-4原子作為實驗對象。

這種原子的亞穩(wěn)態(tài)壽命遠長于實驗全程的時長，內(nèi)部還帶著約19.8電子伏特的能量，當這些原子撞到探測器上時，能夠產(chǎn)生清晰可辨的信號，從而讓研究人員能夠精準追蹤到每一個原子的三維運動狀態(tài)。

同時，研究團隊用精準的激光脈沖，把原子調(diào)整到不受外界雜散磁場干擾的狀態(tài)，避免了磁場打亂原子的運動軌跡，為實驗掃清了最核心的干擾障礙。

實驗的第一步，是把氦原子冷卻到極致低溫，只比宇宙最低溫絕對零度高不到百萬分之一攝氏度，讓它們形成一種叫玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的特殊狀態(tài)。

在這種狀態(tài)下，原子不再是各自亂跑的粒子，而是變成了一個步調(diào)完全一致的量子整體，研究人員能精準控制它們的每一點運動變化。

接下來，研究團隊先用激光給這個原子整體一個初始的運動速度，再用兩束垂直交叉的激光，把這團原子精準分成三股，三股原子的運動速度、方向都嚴格可控。

相鄰的兩股原子團會相互碰撞，碰撞過程中會有成對的原子被彈開，而且每一對原子都會朝著完全相反的方向飛出去，最終在運動軌跡的統(tǒng)計上，形成了兩個像球殼一樣的散射暈。

研究團隊把實驗控制在極低的原子散射密度下，平均每個散射模式里的原子數(shù)僅約0.035，也就是單次實驗里幾乎只會產(chǎn)生一對符合要求的散射原子，最大程度避免了多對原子的干擾。

根據(jù)動量守恒定律，這對朝相反方向飛出的原子，天然就形成了動量上的量子糾纏態(tài)，在低原子數(shù)的條件下，完全符合實驗需要的標準量子糾纏態(tài)要求。

為了證明這些成對的原子真的存在量子糾纏的幽靈般超距作用，研究團隊搭建了一套專門給原子用的Rarity-Tapster干涉儀，這也是這套方法第一次成功用在原子動量糾纏的量子非局域特性驗證上。

他們用激光脈沖給原子當反射鏡和分光鏡，為成對原子的運動路徑施加精準可控的全局相位調(diào)整，而后，再用高精度的探測器，記錄下不同調(diào)整條件下，成對原子被同時探測到的概率。

經(jīng)過超過3.5萬次的重復實驗，數(shù)據(jù)清晰顯示：成對原子的關聯(lián)信號和量子力學理論預言的變化規(guī)律完全吻合，貝爾關聯(lián)函數(shù)的擬合振幅達到0.86，最終觀測到了3.9倍標準偏差的量子導引不等式突破。

這個結(jié)果意味著，這些原子之間的關聯(lián)，無法用一大類符合經(jīng)典直覺的局域物理規(guī)則來解釋，實打?qū)嵶C明了原子在運動狀態(tài)上，確實存在量子糾纏和跨越空間的非局域量子特性。

這項成果是冷原子物理領域二十年磨一劍的突破，團隊通過升級探測器量子效率、鎖定激光頻率、收窄探測窗口等一系列技術升級，終于突破了此前無法觀測有效多粒子干涉的瓶頸。

而它的價值遠不止驗證量子力學的預言：接下來團隊將實現(xiàn)干涉臂的獨立相位控制，結(jié)合更大的類空間隔，完成更嚴格的無漏洞CHSH貝爾不等式檢驗。

更關鍵的是，他們將嘗試讓氦-3和氦-4這兩種質(zhì)量不同的氦同位素產(chǎn)生動量糾纏，用這種前所未有的量子態(tài)，檢驗廣義相對論的基石--弱等效原理在量子世界是否依然成立。

終于，我們把量子糾纏的實驗邊界，拓展到了有質(zhì)量粒子的運動維度。