量子技術新突破 科學家首次成功操縱量子光

【2023年03月28日訊】(記者林達編譯報導)正如阿爾伯特·愛因斯坦在1916年所設想的那樣,科學家們終於能夠操縱「量子光」(quantum light)了,這不僅驗證了激光理論在量子極限下的有效性,同時也為諸如量子生物顯微鏡及光子量子計算機等各類應用開闢了道路。

悉尼大學(University of Sydney)和巴塞爾大學(University of Basel)的研究人員成功地操縱和識別了少量相互作用的光子,他們的研究成果3月20日發表在《自然‧物理學》期刊。據該團隊稱,這項工作代表了量子技術前所未有的里程碑式發展。

愛因斯坦於1916年首次提出激光的理論,為激光的發明奠定了理論基礎,即解釋了光子如何觸發原子去發射更多光子。這個通過受激輻射進行光放大的過程就會產生激光。長期以來人們都知道由大量光子產生激光的過程,但這項新研究讓科學家們首次能夠觀察並影響單個光子的受激發射。研究人員測量了單個光子從一個量子點散射後的時間延遲,以及這與一個束縛光子對從量子點散射的時間延遲差異。

「這為我們對所謂『量子光』進行操作打開了大門,」悉尼大學物理系的撒哈德‧馬穆迪(Sahand Mahmoodian)在一份新聞稿中說。馬穆迪同時也是該研究論文的主要作者之一。「這一基礎科學研究也為量子測量技術和基於光子的量子計算機開闢了道路。」

對光子與物質相互作用的物理過程的深入理解不斷地給予科學家更多的機會去開發更新的應用,從通訊網絡到計算機,從GPS全球定位系統到醫學成像技術。彼此不易進行相互作用的光子可被用於以光速進行幾乎無失真的信息通訊技術。

不過,有時我們也希望光子之間進行相互作用。在單光子的量子水平上,這長期以來困擾著科學家。為了最終了解其工作原理並實現它,研究人員使用了一種新設備來強化光子之間的相互作用,使團隊能夠測到一個光子從一個量子點反彈的時間延遲與一對光子反彈時間延遲之間的差異。

「我們觀察到,與兩個光子相比,一個光子的延遲時間更長,」巴塞爾大學的娜塔莎‧湯姆(Natasha Tomm)——聯合主要作者在新聞稿中說。「通過這種非常強烈的光子間相互作用,兩個光子以所謂的雙光子束縛態的形式糾纏在一起。」

原則上,這一認知可以讓我們開發出更靈敏的測量方法,同時使用更少的光子,分辨率更高,非常適合生物學顯微鏡。我們可以將這一技術推向其量子極限。

「通過演示如何識別和操縱光子束縛態,我們朝著把量子光用於實際用途邁出了重要的第一步,」馬穆迪說。下一步研究包括生成對「容錯量子計算」有用的光子態。

「這個實驗很漂亮,不僅因為它驗證了『受激發射』這個基本物理過程在其量子極限下的有效性,而且也代表了向高級應用做出的巨大技術進步,」湯姆說。「我們可以應用相同的原理來開發更為高效的設備,為我們提供光子束縛狀態。這項很有前途,可以發展出更廣泛的應用:從生物學到先進製造工藝以及量子信息處理等等。」 ◇#

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