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量子技术新突破,科学家首次成功操纵量子光

原子与光子相互作用的微观概念图。(Shutterstock)

正如阿尔伯特·爱因斯坦在1916年所设想的那样,科学家们终于能够操纵“量子光”(quantum light)了,这不仅验证了激光理论在量子极限下的有效性,同时也为诸如量子生物显微镜及光子量子计算机等各类应用开辟了道路。

悉尼大学(University of Sydney)和巴塞尔大学(University of Basel)的研究人员成功地操纵和识别了少量相互作用的光子,他们的研究成果3月20日发表在《自然‧物理学》期刊。据该团队称,这项工作代表了量子技术前所未有的里程碑式发展。

爱因斯坦于1916年首次提出激光的理论,为激光的发明奠定了理论基础,即解释了光子如何触发原子去发射更多光子。这个通过受激辐射进行光放大的过程就会产生激光。长期以来人们都知道由大量光子产生激光的过程,但这项新研究让科学家们首次能够观察并影响单个光子的受激发射。研究人员测量了单个光子从一个量子点散射后的时间延迟,以及这与一个束缚光子对从量子点散射的时间延迟差异。

“这为我们对所谓‘量子光’进行操作打开了大门,”悉尼大学物理系的撒哈德‧马穆迪(Sahand Mahmoodian)在一份新闻稿中说。马穆迪同时也是该研究论文的主要作者之一。“这一基础科学研究也为量子测量技术和基于光子的量子计算机开辟了道路。”

对光子与物质相互作用的物理过程的深入理解不断地给予科学家更多的机会去开发更新的应用,从通讯网络到计算机,从GPS全球定位系统到医学成像技术。彼此不易进行相互作用的光子可被用于以光速进行几乎无失真的信息通讯技术。

不过,有时我们也希望光子之间进行相互作用。在单光子的量子水平上,这长期以来困扰着科学家。为了最终了解其工作原理并实现它,研究人员使用了一种新设备来强化光子之间的相互作用,使团队能够测到一个光子从一个量子点反弹的时间延迟与一对光子反弹时间延迟之间的差异。

“我们观察到,与两个光子相比,一个光子的延迟时间更长,”巴塞尔大学的娜塔莎‧汤姆(Natasha Tomm)——联合主要作者在新闻稿中说。“通过这种非常强烈的光子间相互作用,两个光子以所谓的双光子束缚态的形式纠缠在一起。”

原则上,这一认知可以让我们开发出更灵敏的测量方法,同时使用更少的光子,分辨率更高,非常适合生物学显微镜。我们可以将这一技术推向其量子极限。

“通过演示如何识别和操纵光子束缚态,我们朝着把量子光用于实际用途迈出了重要的第一步,”马穆迪说。下一步研究包括生成对“容错量子计算”有用的光子态。

“这个实验很漂亮,不仅因为它验证了‘受激发射’这个基本物理过程在其量子极限下的有效性,而且也代表了向高级应用做出的巨大技术进步,”汤姆说。“我们可以应用相同的原理来开发更为高效的设备,为我们提供光子束缚状态。这项很有前途,可以发展出更广泛的应用:从生物学到先进制造工艺以及量子信息处理等等。”

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