我们在物理课上已经学习过了光的双缝干涉现象。一个线光源S发出具有一定波长入的单色光，通过两条与之等距，宽度为d的平行狭缝S1，S2，在狭缝后面较远距离D的光屏上形成一系列明暗相间隔的等宽条纹。此实验是英国物理学家托马斯杨设计，具有划时代的意义，揭示了光具有波动性，因此被命名为杨氏双缝干涉实验。由于S与S1，S2的距离相等，S发出的单色光的波振面同时抵达S1，S2，在两狭缝处的波阵面相同，故杨氏双缝干涉实验获得的相干光是遵循了分波阵面法的原理。

【图1】熟悉的双缝干涉现象

那么，许多量子物理学家开始思考，电子是否也可以发生双缝干涉现象呢？如果电子的确发生了双缝干涉现象，如何将其优势应用于生产生活中呢？

我们先来假设，如果大量电子通过双缝不发生所谓干涉现象，在距离双缝S1，S2较远的电子屏上，我们须发现电子只集中分布在两个区域——以电子发射位置为顶点，经过双缝作两条射线，在电子屏上的投影区域，即电子经过双缝，依然按原方向射向电子屏。然而事实的确如此吗？当物理学家的确将大量电子射向双缝时，电子屏上惊奇地接收到了明暗相间的条纹状电子分布。可以证实，电子的确是一种波。

【图2】电子的确发生了双缝干涉现象

其实，电子作为一种实物粒子，其波动性早已被法国物理学家路易德布罗意提出，当时他还是一名研究生。德布罗意参照光的波粒二象性，认为实物粒子与光一样，不仅具有光电效应、康普顿散射等微粒特性，也具有干涉、衍射等反映波动性的现象规律。后来经过大量的量子理论分析和实验观测，他的论断被许多科学家肯定。既然电子是一种波，干涉又是波的重要特性，也可以解释电子双缝干涉现象的发生。

【图3】法国物理学家德布罗意

但是科学家止步于验证电子的波动性，他们在双缝上加装的小巧精妙的信号采集设备，旨在探究不同的电子是通过哪个缝射到光屏的条纹状区域。但是事与愿违，加装记录电子运动的微小“摄像头”以后，干涉条纹竟然消失得无影无踪，只留下我们在前面假设的集中分布在两个区域的现象，和科学家的叹息。

【图4】加装探测器的双缝观察不到干涉条纹

薛定谔的猫开始“蠢蠢欲动”。猫的死活得首先打开沾满毒液的盲盒，但这一打开盲盒的行为会导致这只猫死亡。电子的运动轨迹须通过感应器追踪捕捉，但是感应器的出现又干扰了电子所计划的“航线”。这种纠结的猜测正如编程语言里的“死循环”，使物理学家百思不得其解，似乎量子力学的天花板就是这只“生死未卜”的猫。

【图5】薛定谔的猫时死时活

那么如何探索大量电子通过双缝的规律，以推倒天花板呢？1935年，在普林斯顿高等研究院，爱因斯坦和助理研究员波多尔斯基、博士后罗森等物理学家提出了量子纠缠——粒子间的相互作用无法单独描述成单个粒子的性质，因为各个粒子所有特性都已经整合到了量子的整体共性中。通过认识量子纠缠的规律，在电子的双缝干涉实验中，我们得知了一部分电子的运动规律，也就得知了另一部分电子的运动规律。

【图6】2022年诺贝尔物理学奖得主（从左至右依次：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格）

2022年，诺贝尔物理学家颁给了在“纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”的阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格团队，可见在世界范围内，量子纠缠的探索都还有很长的征程要走。但是我国科学家已经致力于将量子纠缠初步应用于天文学、航空航天、核物理学、生物医药、半导体研究、量子计算等领域的高、精、尖技术中。比如今年9月，中国科学技术大学的潘建伟院士团队使用光品格束缚的超冷原子制备出原子纠缠态，为新型高性能量子计算机的研制打开新的思路，创造新的机遇与可能。

【图7】中国科学院院士潘建伟

【图8】一维、二维纠缠态的实验制备流程

小小电子射过双缝，不仅在电子屏上干涉出了明暗相间的风景，也“干涉”出了量子力学雄伟而充满创新的阶梯。

【参考文献】

1. 西安交通大学Nonomi 科研知识分享《电子双缝干涉实验 与 量子纠缠》
2. 百度百科：量子纠缠
3. 光明网《量子纠缠研究新突破！祝贺中国科学家》【10】