【里程碑】科学家首次操控“量子光”

Original 光子盒研究院光子盒 2023-11-30

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光子盒研究院出品

3月20日，澳大利亚悉尼大学和瑞士巴塞尔大学的科学家首次展示了识别和操纵少量相互作用的光子（光能包）的能力，这些光子具有高度相关性。这一史无前例的成就是量子技术发展的一个重要里程碑。

一个多世纪前，通过观察光与物质的相互作用，科学家们发现光不是一束粒子，也不是一种能量波动模式，而是同时表现出这两种特性，即波粒二象性。光与物质相互作用的方式继续吸引着科学家和人类的想象力，无论是因为它的理论美还是强大的实际应用。

在 1916 年，爱因斯坦提出了受激发射概念，奠定了激光的基础。在这项新研究中，科学家观察到了单个光子的受激发射。具体来说，他们能够测量一个光子和从单个量子点散射的束缚光子之间的直接时间延迟。其中，量子点是一种人工创造的原子。

量子光是研究量子信息和量子计算的重要工具之一，具有波粒二象性和量子纠缠等独特特性，在通信、传感和计算等领域有广泛应用。量子光的研究和应用对于实现量子通信、量子计算和量子保密等重大应用具有重要意义，是当今量子信息科学领域的热点之一。

此次，研究人员表示，这项成果为操纵“量子光”打开了大门，同时，这项基础科学研究为量子增强测量技术和光量子计算的进步开辟了道路。

光子与人造原子相互作用渲染图

光与物质相互作用的方式吸引着越来越多的研究，例如通过干涉仪用光来测量距离的微小变化。然而，量子力学定律对这类设备的灵敏度设置了限制：在测量灵敏度和测量设备中的平均光子数之间。

此次，研究人员表示，他们的设备在光子之间产生了强烈的相互作用，从而使他们能够观察到与之相互作用的一个光子与两个光子之间的差异。他们发现，与两个光子相比，一个光子的延迟时间更长。有了这种非常强的光子-光子相互作用，两个光子就会以双光子束缚态(two-photon bound states)的形式纠缠在一起。

与光子数量有关的脉冲散射。

单光子和双光子束缚态的延迟色散。

双光子束缚态与输入脉冲宽度的关系。

量子光的优势在于，原则上，它可以使用更少的光子以更高的分辨率进行更灵敏的测量。这对于在生物显微镜中的应用非常重要，特别是当光的强度可能会损坏样品，并且科学家需要观察的特征非常微小时。

此次，实验团队展示了及时操纵和识别高度相关的光子状态的能力。其结果揭示了单个量子发射器与单个光子的相互作用。这一成就代表了各种量子技术发展中的一个重要里程碑。

刺激发射(Stimulated emission)起着核心作用，例如，在近似量子克隆的光子，一个量子信息处理和网络的关键技术。传播的脉冲对光子数量的强烈依赖可以通过级联这种腔体-QED系统来加强，并实现各种重要的应用，如光子排序、光子数量分辨探测器和贝尔测量。

在与单个原子相互作用时，双光子束缚态的揭示是实现高保真双量子光子门的一个有吸引力的资源，如可控相位门。同时，可应用同样的原理来开发更高效的设备，以提供光子束缚态，这将在生物研究、先进制造、量子信息处理等领域具有广泛的应用前景。

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