科学家打开操纵“量子光”的大门

图：光子与人造原子相互作用后结合在一起的艺术图像。来源：The University of Basel

Sydney大学和瑞士Basel大学的科学家首次证明了操纵和识别少量相互作用光子，这些光子能量包具有高相关性。

这一前所未有的成就是量子技术发展的一个重要里程碑。相关研究发表在Nature Physics上。

爱因斯坦在1916年提出光的受激发射，为激光的发明奠定了基础。通过这项研究，现在已经观察到单个光子的受激发射。

具体来说，科学家们可以测量一个光子和一对从单个量子点散射的束缚光子之间的直接时间延迟，量子点是一种人工制造的原子。

悉尼大学物理学院的Sahand Mahmoodian博士是这项研究的联合首席作者，他说：“这为我们可以称之为‘量子光’的操纵打开了大门。”。

Mahmoodian博士说：“这项基础科学为量子增强测量技术和光子量子计算的进步开辟了道路。”

通过观察一个多世纪前光与物质的相互作用，科学家们发现光既不是粒子束，也不是能量的波动模式，而是同时表现出两种特征，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之美还是它强大的实际应用。

无论是光如何穿越星际介质的广阔空间，还是激光的发展，对光的研究都是一门具有重要实际用途的重要科学。如果没有这些理论基础，几乎所有的现代技术都是不可能的。没有手机，没有全球通信网络，没有电脑，没有全球定位系统，没有现代医学成像。

在通过光纤进行通信时使用了光的一个优点：光能量包，光子不容易相互作用。这就产生了以光速近乎无失真的信息传输。

然而，我们有时希望光相互作用。在这里，事情变得棘手。

例如，光被用来测量距离的微小变化，使用的仪器叫做干涉仪。这些测量工具现在很常见，无论是在先进的医学成像中，还是在重要但可能更普通的任务中，如对牛奶进行质量控制，或者以LIGO等复杂仪器的形式，该仪器于2015年首次测量引力波。

量子力学定律限制了这种器件的灵敏度。

这限制在测量的灵敏度和测量设备中光子的平均数量之间。对于经典激光来说，与量子光不同。

Natasha Tomm博士说：“我们建造的设备诱导了光子之间如此强烈的相互作用，以至于我们能够观察到一个光子与其相互作用与两个光子之间的差异。”

“我们观察到，与两个光子相比，一个光子延迟了更长的时间。通过这种非常强的光子-光子相互作用，两个光子以所谓的双光子束缚态的形式纠缠在一起。”

像这样的量子光的优势在于，原则上，它可以使用更少的光子以更好的分辨率进行更灵敏的测量。当大的光强度会损坏样品并且要观察的特征特别小时，这对于生物显微镜的应用可能很重要。

Mahmoodian博士说：“通过证明我们可以识别和操纵光子束缚态，我们朝着利用量子光进行实际应用迈出了至关重要的第一步。”。

“我研究的下一步是看看如何使用这种方法来生成对容错量子计算有用的光状态，这正是PsiQuantum和Xanadu等公司所追求的。”

Tomm博士说：“这个实验很漂亮，不仅因为它验证了一种基本效应——刺激发射达到了极限，而且它也代表着朝着先进应用迈出了巨大的技术步伐。”

“我们可以应用同样的原理来开发更高效的设备，为我们提供光子束缚态。这对从生物学到先进制造和量子信息处理等广泛领域的应用非常有希望。”

这项研究是University of Basel, Leibniz University Hannover, the University of Sydney and Ruhr University Bochum合作的结果。

主要作者是巴塞尔大学的Natasha Tomm博士和悉尼大学的Sahand Mahmoodian博士。

人工原子(量子点)是在Bochum制造的，并在巴塞尔大学纳米光子小组进行的实验中使用。Mahmoodian 博士对这一发现进行了理论研究。

来源：University of Sydne