《自然物理》：突破双子极限！首次实现12个全同原子多体HOM干涉

在量子物理学的宏伟版图中，粒子的“不可区分性”不仅是一个深奥的哲学命题，更是驱动诸多奇异量子现象的根本源泉。1987年，洪、欧、曼德（Hong, Ou, Mandel）三位科学家发表了著名的双光子干涉实验，揭示了当两个完全相同的光子同时进入一个50:50的分束器时，由于量子相消干涉，它们绝不会从不同的端口离开，而是必然选择“成对聚集”从同一端口输出。这一现象被称为洪-欧-曼德尔（HOM）效应，它不仅是量子光学的基础，更是评价粒子全同性与相干性的核心标尺。

然而，将这一迷人的双粒子干涉现象推向“多粒子”体制，数十年来一直是物理学界难以逾越的雄关。2026年6月，发表在《自然-物理》上的一项里程碑式研究——《Hong–Ou–Mandel interference of more than ten indistinguishable atoms》打破了这一僵局。由德国航空航天中心（DLR）与汉诺威莱布尼茨大学领导的国际联合研究团队，成功在几近无损的超冷原子系统中，观测到了多达12个全同中性原子的多体HOM干涉效应。这一成果不仅将多体干涉的粒子数推进到了双位数，更为量子计量学与分布式量子计算开辟了全新范式。

一、 多粒子体制下的核心挑战与范式转移

虽然双粒子HOM效应早已写入教科书，但要实现多粒子的宏观量子干涉，实验上需要同时克服三大致命难题：

1. 确定性多体输入态的制备：多粒子干涉要求严格输入确定粒子数、且空间/自旋结构完全对称的纯态（如双Fock态|N/2, N/2>）。任何粒子数的起伏或微小的相干性缺失，都会导致多体干涉图案的迅速崩塌。
2. 系统损耗的毁灭性打击：此前多粒子HOM干涉主要在光学平台（如集成光子芯片）上尝试。然而，光子在传输、调制和探测过程中的高固有损耗对于多体态是致命的。对于N粒子态，损耗率通常随N指数级放大，导致高阶干涉的量子相干性在到达分束器前就已消耗殆尽。
3. 单粒子分辨计数：要在输出端准确点数出每一个粒子的归属，并捕捉微妙的量子统计分布（如奇数禁戒现象），探测器必须具备极高的空间分辨率与近乎 100% 的探测效率。

为了解决上述瓶颈，Martin Quensen 与 Carsten Klempt 等人领导的团队完成了一次关键的“范式转移”：他们摒弃了传统的光子系统，转而采用超冷原子气体（玻色-爱因斯坦凝聚体，BEC）作为研究媒介。超冷原子不仅天然具备完美的不可区分性，更关键的是，原子系统可以实现在时间和空间上几乎零损耗的相干操纵，这为观测大规模多体干涉提供了绝佳的物理载体。

二、 实验架构：从自旋交换碰撞到单原子计数

该团队通过精妙的原子芯片与光晶格技术，在双模超冷中性铷（⁸⁷Rb）原子系统中构建了这一宏观量子相干舞台。其核心实验流程主要分为三个阶段：

• [制备阶段]：BEC自旋交换碰撞→高保真度双Fock态 |N/2, N/2⟩
• [干涉阶段]：微波/射频脉冲操纵→模拟平衡分束器（50:50 Beam Splitter）
• [探测阶段]：高空间分辨率成像 ──> 近乎无损的单原子分辨计数

1. 完美全同的双Fock态制备

研究人员首先将铷原子冷却至接近绝对零度，形成玻色-爱因斯坦凝聚。利用凝聚体内自旋通道的自旋交换碰撞机制，成对的原子从初始自旋态跃迁至目标双模态。由于该物理过程天然遵循粒子数守恒与对称性，团队得以高效、确定性地制备出两侧原子数完全相等的“双Fock态” |N/2, N/2>，其中最多包含了 12 个完全不可区分的原子（即每侧 6 个原子）。

2. 原子分束器的相干操纵

在传统量子光学中，分束器是一个半透半反镜；而在超冷原子系统中，分束器操作则是通过精密的微波与射频脉冲实现的。通过控制脉冲的面积和相位，研究团队对原子的自旋或空间状态实施了完美的50:50量子叠加演化。这一相干操作在原子的空间传输中维持了极高的保真度，近乎完美地模拟了光学多臂干涉仪的物理矩阵。

3. 近零损耗的单原子检测

干涉结束后，如何计数是决定实验成败的终点线。团队开发了一种创新的单原子分辨检测系统。该技术在荧光成像或吸收成像的基础上，通过极高数值孔径的光学成像系统，能够在不破坏原子多体关联的前提下，以极高的效率准确点数出输出端口中左侧和右侧的精确原子数目（例如，是否精确出现了 0 个和 12 个，或 2 个和 10 个）。

三、 核心实验结果与深层物理发现

当这群完全相同的原子经过“分束器”并交织在一起时，多体玻色子的量子统计规律展现出了令人震撼的实验图像：

1. 奇数禁戒与宇称振荡（Parity Oscillations）

这是本篇论文最具代表性的实验发现之一。在双粒子HOM实验中，输出端口绝对不会出现“左边1个，右边1个”的情况。扩展到N个原子（N为偶数）时，量子相消干涉导致了一个极端的统计选择定则：输出端口中任一侧检测到奇数个原子的概率被强烈压低，甚至逼近于零。实验测得的原子数目分布呈现出强烈的“偶数集聚”特征，即原子倾向于以2, 4, 6…的偶数形式成对输出。这种完美的宇称振荡直接确证了参与干涉的十余个原子之间维持着极其严苛的量子相干性。

2. 聚集包络

随着输入原子总数N的增加，全同玻色子的“拥挤效应”进一步被放大。团队成功在多达 12 个原子的尺度下，完整描绘了多体干涉的聚集包络线。结果表明，所有原子（全部12个）选择同一个端口倾泻而出的概率，远远超过了经典统计学（马克斯威-玻尔兹曼统计）所预测的概率。这一宏观聚集行为是多粒子不可区分性在多体系统中的直接显现。

3. 真正多体纠缠的定量证实

为了挖掘干涉态在信息论层面的价值，研究团队引入了量子费舍尔信息与统计理论（由合作者 Augusto Smerzi、Géza Tóth、Luca Pezzè 等人提供理论支持）进行严格审视。 结果表明，该干涉过程并非各部分的简单叠加，而是衍生出了真正的多体纠缠。在 8 原子干涉中，数据证实所有 8 个原子共同参与了单一的全纠缠态；即使在拓扑极其复杂的 12 原子极端干涉中，实验也确证了至少有 10 个原子存在不可分的多体纠缠。

四、 科学意义与未来应用前景

这篇论文的发表，不仅是一次实验技术的华丽秀，更在多个前沿物理学方向上树立了新的里程碑。

1. 突破标准量子极限，逼近海森堡测量极限

在量子计量学中，传统无纠缠的传感器灵敏度受限于“标准量子极限”。而利用多原子HOM干涉所制备的高度纠缠态（如接近NOON态的结构），测量的相位灵敏度理论上可以突破至“海森堡极限”。

在这项研究中，研究团队利用 12 个原子的多体相干，实现了相比标准量子极限显著提升6.4dB（即-6.3(3)dB的突破）的测量增益。这为新一代基于超冷原子的精密测量工具（如原子光钟、高灵敏度重力仪及惯性导航系统）提供了革命性的技术支撑。

2. 为原子基子的量子计算与模拟铺平道路

在当今分布式量子计算与量子网络的设计中，如何构建大规模、确定性且高保真度的多体纠缠基座是一大核心瓶颈。该工作证明了超冷原子平台在控制“不可区分性”与“零损耗操纵”上的卓越表现。这种高度可扩展的无损干涉方案，未来有望与光晶格或光镊阵列相结合，用于构建更大规模的自旋压缩态、多粒子贝尔不等式检验，乃至直接用于执行特定拓扑结构的量子计算算法。

结语

从1987年那对在实验室桌面上静静交汇的双光子，到2026年在接近绝对零度的真空腔中翩翩起舞、完美交融的12个铷原子，洪-欧-曼德尔干涉历经近四十年的演进，终于在多体原子体制下绽放出了最绚烂的量子之花。Martin Quensen、Carsten Klempt 等人完成的这项研究，深刻揭示了自然界在多体微观尺度下的极端相干本质。它不仅标志着人类对不可区分粒子操控能力的跃升，更揭开了基于多体干涉的量子精密测量与量子信息科学的全新篇章。