由澳大利亚悉尼大学和瑞士巴塞尔大学联合主导的研究团队首次演示了对具有高度关联性的少量相互作用光子态的操纵和识别。该成果于3月20日发表在《自然·物理学》杂志上。
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，也不是能量波，而是同时表现出这两种特性，被称为波粒二象性。由于其强大的实际应用，科学家们一直致力于研究光与物质相互作用的方式。另一方面，爱因斯坦于1916年提出受激辐射理论，为激光的发明奠定了基础，使人们对光的研究进入新的阶段。当今社会许许多多现代技术均依赖于对光的操控，尤其是通信方面，因为光子之间不易相互影响，这为近乎无失真的光速信息传输提供了可能。然而，人们有时还是希望光能够相互作用，比如光学干涉仪可用来测量距离的微小变化，这些测量工具现在很常见，无论是在先进的医学成像中，还是食品质量检验，或者引力波的探测，但量子力学定律在测量的灵敏度和测量设备中的平均光子数量之间设定了一系列限制。
悉尼大学和巴塞尔大学的联合研究团队恰好利用了光学非线性过程实现了光子之间的相互作用。为此，他们选择了一个与光学谐振腔耦合的半导体量子点，即人造原子作为实验系统。关于这一系统，该文章共同第一作者Natasha Tomm提到：“我们造的系统在光子之间可诱发非常强烈的相互作用，以至于我们能够观察到该系统与一个光子、或两个光子相互作用的区别。我们观察到，与两个光子相比，一个光子被延迟的时间更长。在这种真正强大的光子-光子相互作用下，两个光子以所谓的双光子束缚态的形式纠缠在一起。”这便是单光子的受激辐射的特征。
通过证明对光子束缚态的识别和操纵，该团队向量子光的实际用途迈出了重要一步。这种量子光的优势在于，原则上可用较少的光子进行更灵敏的测量，并具有更高的分辨率。Tomm说：“我们可以利用同样原理开发更高效率设备来获得束缚态，其在生物学、先进制造和量子信息处理等广泛领域中都非常有应用前景。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-023-01997-6
报道链接：
https://phys.org/news/2023-03-scientists-door-quantum.html
图1 光子与人造原子相互作用后光子束缚态的形成示意图。