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光子盒研究院出品 3月20日,，澳大利亞悉尼大學(xué)和瑞士巴塞爾大學(xué)的科學(xué)家首次展示了識別和操縱少量相互作用的光子（光能包）的能力,，這些光子具有高度相關(guān)性。這一史無前例的成就是量子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑,。
一個(gè)多世紀(jì)前,，通過觀察光與物質(zhì)的相互作用，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)光不是一束粒子，也不是一種能量波動模式,，而是同時(shí)表現(xiàn)出這兩種特性,，即波粒二象性。光與物質(zhì)相互作用的方式繼續(xù)吸引著科學(xué)家和人類的想象力,，無論是因?yàn)樗睦碚撁肋€是強(qiáng)大的實(shí)際應(yīng)用,。 在 1916 年，愛因斯坦提出了受激發(fā)射概念,，奠定了激光的基礎(chǔ),。在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家觀察到了單個(gè)光子的受激發(fā)射,。具體來說,，他們能夠測量一個(gè)光子和從單個(gè)量子點(diǎn)散射的束縛光子之間的直接時(shí)間延遲。其中,，量子點(diǎn)是一種人工創(chuàng)造的原子,。 量子光是研究量子信息和量子計(jì)算的重要工具之一，具有波粒二象性和量子糾纏等獨(dú)特特性,，在通信,、傳感和計(jì)算等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。量子光的研究和應(yīng)用對于實(shí)現(xiàn)量子通信,、量子計(jì)算和量子保密等重大應(yīng)用具有重要意義,，是當(dāng)今量子信息科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。 此次,，研究人員表示,，這項(xiàng)成果為操縱“量子光”打開了大門，同時(shí),，這項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)研究為量子增強(qiáng)測量技術(shù)和光量子計(jì)算的進(jìn)步開辟了道路,。
光子與人造原子相互作用渲染圖 光與物質(zhì)相互作用的方式吸引著越來越多的研究，例如通過干涉儀用光來測量距離的微小變化,。然而,，量子力學(xué)定律對這類設(shè)備的靈敏度設(shè)置了限制：在測量靈敏度和測量設(shè)備中的平均光子數(shù)之間。 此次,，研究人員表示,，他們的設(shè)備在光子之間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的相互作用，從而使他們能夠觀察到與之相互作用的一個(gè)光子與兩個(gè)光子之間的差異,。他們發(fā)現(xiàn),，與兩個(gè)光子相比，一個(gè)光子的延遲時(shí)間更長,。有了這種非常強(qiáng)的光子-光子相互作用,，兩個(gè)光子就會以雙光子束縛態(tài)(two-photon bound states)的形式糾纏在一起,。
與光子數(shù)量有關(guān)的脈沖散射。
單光子和雙光子束縛態(tài)的延遲色散,。
雙光子束縛態(tài)與輸入脈沖寬度的關(guān)系,。 量子光的優(yōu)勢在于，原則上,，它可以使用更少的光子以更高的分辨率進(jìn)行更靈敏的測量,。這對于在生物顯微鏡中的應(yīng)用非常重要，特別是當(dāng)光的強(qiáng)度可能會損壞樣品,，并且科學(xué)家需要觀察的特征非常微小時(shí),。 此次，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)展示了及時(shí)操縱和識別高度相關(guān)的光子狀態(tài)的能力,。其結(jié)果揭示了單個(gè)量子發(fā)射器與單個(gè)光子的相互作用,。這一成就代表了各種量子技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重要里程碑。 刺激發(fā)射(Stimulated emission)起著核心作用,，例如,，在近似量子克隆的光子，一個(gè)量子信息處理和網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),。傳播的脈沖對光子數(shù)量的強(qiáng)烈依賴可以通過級聯(lián)這種腔體-QED系統(tǒng)來加強(qiáng),，并實(shí)現(xiàn)各種重要的應(yīng)用，如光子排序,、光子數(shù)量分辨探測器和貝爾測量,。 在與單個(gè)原子相互作用時(shí)，雙光子束縛態(tài)的揭示是實(shí)現(xiàn)高保真雙量子光子門的一個(gè)有吸引力的資源,，如可控相位門,。同時(shí)，可應(yīng)用同樣的原理來開發(fā)更高效的設(shè)備,，以提供光子束縛態(tài),，這將在生物研究、先進(jìn)制造,、量子信息處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,。
科學(xué)家終于操縱了量子光，實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦 107 年前的夢想
正如阿爾伯特·愛因斯坦在 1916 年所設(shè)想的那樣，科學(xué)家們隨時(shí)準(zhǔn)備操縱量子光,。 悉尼大學(xué)和巴塞爾大學(xué)的研究人員成功地操縱和識別了少量相互作用的光子——光能包,。據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，這項(xiàng)工作代表了量子技術(shù)前所未有的里程碑式發(fā)展,。 受激光發(fā)射——愛因斯坦于 1916 年首次提出的理論,，有助于解釋光子如何觸發(fā)原子發(fā)射其他光子——為激光的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)（通過受激輻射進(jìn)行光放大）。長期以來人們都知道大量光子,，但這項(xiàng)新研究使科學(xué)家們首次能夠觀察到單個(gè)光子的受激發(fā)射并對其產(chǎn)生影響,。研究人員測量了一個(gè)光子和一對從單個(gè)量子點(diǎn)（一種人工創(chuàng)建的原子）散射的束縛光子之間的直接時(shí)間延遲。 “這為操縱我們所謂的'量子光’打開了大門,，”悉尼大學(xué)物理學(xué)院的 Sahand Mahmoodian 和《自然物理學(xué)》上發(fā)表的一篇研究論文的聯(lián)合主要作者在新聞發(fā)布會上說,。“這一基礎(chǔ)科學(xué)為量子增強(qiáng)測量技術(shù)和光子量子計(jì)算的進(jìn)步開辟了道路,。 光與物質(zhì)相互作用的方式的現(xiàn)實(shí)繼續(xù)為研究人員提供了基于理論知識發(fā)現(xiàn)實(shí)際用途的機(jī)會,，從通信網(wǎng)絡(luò)到計(jì)算機(jī)，從 GPS 到醫(yī)學(xué)成像,。例如,，不易相互作用的光子可用于通信，以光速提供近乎無失真的信息傳輸,。 量子物理學(xué)可能最終解釋意識有些時(shí)候,，我們確實(shí)希望光與其他光相互作用。在單光子量子水平上,，這長期以來一直困擾著科學(xué)家,。為了最終了解它的工作原理并實(shí)現(xiàn)它，研究人員使用了一種新設(shè)備來誘導(dǎo)光子之間的強(qiáng)相互作用,。該設(shè)備使團(tuán)隊(duì)能夠看到一個(gè)光子從量子點(diǎn)反彈和一對束縛的光子做同樣的事情之間的時(shí)間延遲差異,。 “我們觀察到，與兩個(gè)光子相比,，一個(gè)光子的延遲時(shí)間更長,，”巴塞爾大學(xué)的娜塔莎·湯姆 (Natasha Tomm) 和聯(lián)合主要作者在新聞稿中說?！巴ㄟ^這種非常強(qiáng)烈的光子-光子相互作用,，兩個(gè)光子以所謂的雙光子束縛態(tài)的形式糾纏在一起?！?/span> 原則上,，這種理解可以讓我們開發(fā)出更靈敏的測量方法，同時(shí)使用更少的光子,，分辨率更高,，非常適合生物顯微鏡。我們可以一直將我們的技術(shù)推向量子極限,。 “通過證明我們可以識別和操縱光子束縛態(tài),，我們朝著將量子光用于實(shí)際用途邁出了重要的第一步,，”Mahmoodian 說。接下來的步驟包括生成對“容錯(cuò)量子計(jì)算”有用的光態(tài),。 “這個(gè)實(shí)驗(yàn)很漂亮,，不僅因?yàn)樗?yàn)證了一個(gè)基本效應(yīng)——受激發(fā)射——在其極限，而且它也代表了向高級應(yīng)用邁出的巨大技術(shù)進(jìn)步,，”Tomm 說,。“我們可以應(yīng)用相同的原理來開發(fā)更高效的設(shè)備,，為我們提供光子束縛狀態(tài),。這對于廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用非常有希望：從生物學(xué)到先進(jìn)制造和量子信息處理?！?/span> |
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