悉尼大學(xué)和瑞士巴塞爾大學(xué)的科學(xué)家首次證明了操縱和識(shí)別少量相互作用光子包的能力，這些光子包具有高相關(guān)性。

這一前所未有的成就是量子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，該研究成果發(fā)表在近期的《自然·物理學(xué)》上。

愛因斯坦在1916年提出的受激發(fā)光被廣泛觀測(cè)到大量光子，并為激光的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)這項(xiàng)研究，現(xiàn)在已經(jīng)觀察到單個(gè)光子的受激發(fā)射。

具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們可以測(cè)量一個(gè)光子和一對(duì)從單個(gè)量子點(diǎn)散射的束縛光子之間的直接時(shí)間延遲。

光子與人造原子相互作用后如何結(jié)合在一起的示意圖

這項(xiàng)聯(lián)合研究的主要作者Sahand Mahmoodian博士說(shuō)：“這為我們可以稱之為‘量子光’的操縱打開了大門。這項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)為量子增強(qiáng)測(cè)量技術(shù)和光子量子計(jì)算的進(jìn)步開辟了道路�！�

通過(guò)觀察一個(gè)多世紀(jì)前光與物質(zhì)的相互作用，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)光既不是粒子束，也不是能量的波動(dòng)模式，而是同時(shí)表現(xiàn)出兩種特征，即波粒二象性。

光與物質(zhì)相互作用的方式繼續(xù)吸引著科學(xué)家和人類的想象力，無(wú)論是因?yàn)樗�的理論之美還是它強(qiáng)大的實(shí)際應(yīng)用。

無(wú)論是光如何穿越星際介質(zhì)的廣闊空間，還是激光的發(fā)展，對(duì)光的研究都是一門具有重要實(shí)際用途的重要科學(xué)。如果沒(méi)有這些理論基礎(chǔ)，幾乎所有的現(xiàn)代技術(shù)都是不可能的。沒(méi)有手機(jī)，沒(méi)有全球通信網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有電腦，沒(méi)有全球定位系統(tǒng)，也沒(méi)有現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像等等。

在通過(guò)光纖進(jìn)行通信時(shí)使用光的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，光能包光子不容易相互作用，這就產(chǎn)生了以光速近乎無(wú)失真的信息傳輸。

然而，我們有時(shí)希望光相互作用。在這里，事情變得棘手。

例如，光被用來(lái)測(cè)量距離的微小變化，使用的儀器叫做干涉儀。這些測(cè)量工具現(xiàn)在很常見，無(wú)論是在先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像中，還是在重要但可能更普通的任務(wù)中，如進(jìn)行質(zhì)量控制，或者以LIGO等復(fù)雜儀器的形式，該儀器于2015年首次測(cè)量引力波。

量子力學(xué)定律限制了這種器件的靈敏度，這個(gè)限制設(shè)置在測(cè)量的靈敏度和測(cè)量設(shè)備中光子的平均數(shù)量之間。對(duì)于經(jīng)典激光來(lái)說(shuō)，這與量子光不同。

Mahmoodian博士說(shuō)：“我們建造的設(shè)備誘導(dǎo)了光子之間如此強(qiáng)烈的相互作用，以至于我們能夠觀察到一個(gè)光子與其相互作用與兩個(gè)光子之間的差異。我們觀察到，與兩個(gè)光子相比，一個(gè)光子延遲了更長(zhǎng)的時(shí)間。通過(guò)這種非常強(qiáng)的光子-光子相互作用，兩個(gè)光子以雙光子束縛態(tài)的形式糾纏在一起�！�

像這樣的量子光的優(yōu)勢(shì)在于，原則上，它可以使用更少的光子以更好的分辨率進(jìn)行更靈敏的測(cè)量。當(dāng)大的光強(qiáng)度會(huì)損壞樣品并且要觀察的特征特別小時(shí)，這對(duì)于生物顯微鏡的應(yīng)用會(huì)很重要。

Mahmoodian博士說(shuō)：“通過(guò)證明我們可以識(shí)別和操縱光子束縛態(tài)，我們朝著利用量子光進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用邁出了至關(guān)重要的第一步。我研究的下一步是看看如何使用這種方法來(lái)生成對(duì)容錯(cuò)量子計(jì)算有用的光狀態(tài)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)很漂亮，不僅因?yàn)樗��?yàn)證了一種基本效應(yīng)，而且它也代表著朝著先進(jìn)應(yīng)用邁出了巨大的技術(shù)步伐。我們可以應(yīng)用同樣的原理來(lái)開發(fā)更高效的設(shè)備，為我們提供光子束縛態(tài)。這對(duì)從生物學(xué)到先進(jìn)制造和量子信息處理等廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用都很有用�！�

該研究是巴塞爾大學(xué)，漢諾威萊布尼茨大學(xué)，悉尼大學(xué)和波鴻魯爾大學(xué)之間的合作。

主要作者是巴塞爾大學(xué)的Natasha Tomm博士和悉尼大學(xué)的Sahand Mahmoodian博士，他是澳大利亞研究委員會(huì)未來(lái)研究員和高級(jí)講師。

人造原子（量子點(diǎn)）在波鴻制造，并用于巴塞爾大學(xué)納米光子學(xué)小組進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的理論工作由悉尼大學(xué)和漢諾威萊布尼茨大學(xué)的Mahmoodian博士進(jìn)行。

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