在日常生活中，我们习惯于认为“观察”不会改变事物本身。无论是否有人注视，一支射出的箭矢都会沿着自己的轨迹飞行；月亮不会因为被望远镜观察而改变运行方向；汽车也不会因为摄像头拍摄而减速。
然而有趣的是，在量子世界中，这一情况却发生了变化。
量子力学认为，测量并不仅仅是一个观察的过程，而是一种能够影响系统状态的作用。当一个量子系统被不断地测量时，它原本自然发生的演化会被一次次打断，甚至可能被“冻结”下来。这种看似违反直觉的现象被称为量子芝诺效应（Quantum Zeno Effect），其名称来源于古希腊哲学家芝诺提出的“飞矢不动”悖论。
芝诺认为，如果不断地观察一支飞行中的箭，那么在每一个瞬间它似乎都停留在某个固定位置，因此从逻辑上看，飞箭似乎永远不会真正运动。虽然这一悖论在经典物理学中并不成立，但量子世界却以一种出人意料的方式赋予了它实际意义：一个具有量子性质的微观粒子真的可能因为被频繁观察而停止运动。
几十年来，科学家已经在离子、超导量子比特、冷原子等体系的内部量子态中观察到量子芝诺效应，但对于一个粒子在真实空间中的运动而言，人们始终缺乏直接而清晰的实验验证：如果不断地“看”一个粒子，它在空间中的传播真的会被停止吗？
近日，来自中国科学技术大学量子信息重点实验室的研究团队首次在单个冷原子的实空间运动中直接观测到了这一现象，并进一步证明测量不仅能够抑制原子的运动，还能够利用测量本身主动操控原子的运动方向。相关成果在2026年6月12日以“Quantum Zeno Effect in the Spatial Evolution of a Single Atom”为题发表在国际知名学术期刊《Nature Communications》上。
通过“询问”让原子停下来
研究团队利用光镊技术捕获单个铷原子。所谓光镊，可以理解为利用激光形成的微型“光学镊子”，能够像夹子一样抓住单个原子。
实验开始后，研究人员释放原子，让它在真空中自由运动。随后，他们周期性地短暂打开光镊，当光镊开启的时刻，其会对原子是否仍处于束缚状态进行测量。结果发现：在一段时间内，随着光镊开启得越频繁，即测量频率不断提高，原子逃离光镊的概率迅速下降，并最终接近于零。
换句话说，原本应该不断向自由空间扩散的原子波函数，被频繁测量一次次拉回原位，其运动被显著抑制。不严格地类比的话，这就像不断询问一位正准备离开房间的人：“你还在房间里吗？”如果询问得足够频繁，对方由于需要不断停下来回应而最终几乎无法离开原来的位置。
这是量子芝诺效应首次在单个粒子的真实空间运动中得到直接实验验证。
图1：单原子在实空间中的量子芝诺效应。（a）实验装置与时序控制图，单个原子被光镊抓捕。（b）原子被光镊测量与被测量之后在势阱内演化的示意图。（c）原子逃离光镊的概率随着一定时间内测量次数的增加而下降至0，即量子芝诺效应使原子运动被冻结。
从“飞箭不动”到“飞箭随目光而动”
如果说量子芝诺效应展示的是“观察让运动停止”，那么团队随后发现的现象则更加令人惊讶。
研究人员设计了一种新的测量方案：每次测量时，都让测量位置相对于前一次发生微小偏移。按照经典直觉，一个自由运动的粒子不会因为观察者改变视线方向而自动跟随移动。然而实验发现，原子的位置竟然会随着测量位置的变化而逐步移动。并且经过连续多次测量后，原子最终停留在最后一次测量的位置，仿佛被人的目光一步步“牵引”过去。
从量子力学角度来解释，这是由于每次测量位置的变化导致系统束缚本征态的空间位置发生移动，使得原子的量子态被连续投影到新的位置附近，从而形成一种由测量本身驱动的定向输运过程。如果借用芝诺眼中的飞箭来打比方，那么这已经不仅仅是“飞矢不动”，而更像是：飞矢会不断跟随人们的目光。
图2：频繁测量对原子运动的控制。（a）测量的时序控制图，通过联协调控施加在声光控制器的调制信号实现测量位置的定向偏移。（b）测量导致原子位置移动的示意图。（c）实验上对单原子在测量诱导下运动的成像。白色像素点为原子荧光中心位置，测量使其相对原点产生空间位移。
测量控制下大规模量子计算的新可能
近年来，中性原子量子计算迅速发展，研究人员已经能够利用光镊阵列同时操控数百乃至上万个原子量子比特。然而，随着系统规模不断扩大，如何快速、精确地移动原子并保持其低动能，正在成为构建大规模量子处理器的重要挑战。
目前主流方案主要依赖光镊对原子进行拖曳运输。为了避免运动过程中产生额外加热和退相干，原子的移动速度通常受到限制。
实空间中单原子的量子芝诺效展示了一种截然不同的思路：不再通过外力拽引原子，而是利用量子测量本身来改变原子位置。实验中利用这一方法实现的原子等效输运速度达到0.7m/s，超过同一实验平台下传统曳引方法的十多倍，其不但突破了常规光镊操控所受到的速度限制，在原理上还不会给予原子额外动量，使原子始终保持较低的运动能量状态。
这一基于测量的原子操控方式不仅为探索实空间量子测量提供了全新的实验基础。更重要的是实现了从“读取量子信息”向“主动操控量子信息”的跨越，为未来大规模中性原子量子计算提供了一种全新的技术路径。未来有望应用于量子比特重排与计算单元之间的信息转运以及大规模量子处理器架构设计等方向。进一步揭示了量子测量在未来量子科技中的潜力。