帖子
勛章
關(guān)注
任務(wù)
光子的量子低通  雙光子阻塞圖解。上圖：在激光脈沖照射下，自由空間中的單個原子一次只能吸收和發(fā)射一個光子，而不受光子方向的限制。中圖：由一個空腔組成的系統(tǒng)可以吸收和發(fā)射無限數(shù)量的光子。 下圖：在強耦合原子-空腔系統(tǒng)中，可以選擇激光的頻率，從而使得系統(tǒng)最多只能夠存儲和發(fā)射兩個光子。 在激光脈沖中找到一定數(shù)量的光子的概率通常對應(yīng)于經(jīng)典分布的獨立事件，即所謂的泊松分布。然而，還存在著具有非經(jīng)典光子數(shù)分布的光源，其只能由量子力學(xué)的規(guī)律來描述。一個著名的例子是單光子源，其有可能在密鑰分配的量子加密或者在量子網(wǎng)絡(luò)中連接量子存儲和處理器上找到用武之地。然而，對于許多非線性量子光學(xué)的應(yīng)用來說，常常需要數(shù)量一定的光脈沖，例如兩個，三個或四個。一組來自馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所 (位于慕尼黑附近的加興市）Gerhard Rempe教授的量子動力學(xué)部門的科學(xué)家們已經(jīng)在這個方向成功地邁出了第一步。通過使用強耦合原子-空腔系統(tǒng)，他們第一個觀察到了所謂的雙光子阻塞：該系統(tǒng)最多只能同時發(fā)射兩個光子，因為它的存儲容量被限制在了這個數(shù)量上（PRL，3/31/2017）。 產(chǎn)生單光子流的一個天真的方法是充分衰減激光束的強度。但在這種情況下，光子的數(shù)目仍然隨著每個脈沖有所不同，只有當平均許多個脈沖的時候我們才能觀察到平均光子數(shù)為一個。而實際應(yīng)用需要固定而精確的每個脈沖一個光子。利用單原子作為單光子源可以大大降低每個脈沖的光子數(shù)的波動。當原子被激光束照射時，一次只能吸收一個光子，從而產(chǎn)生一次由基態(tài)到激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)變。第二個光子只有在原子回落到基態(tài)并發(fā)出一個光子之后才能被吸收。因此，在發(fā)射的光場中一次只能檢測到不多于一個的光子，這一效應(yīng)被稱為“單光子阻塞”。 為了將這一原理推廣到“雙光子阻塞”，人們必須在單原子之外尋找一個能儲存大于一個而又不多于兩個光子的系統(tǒng)。為此，馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的物理學(xué)家將單原子與提供額外儲存能力的空腔結(jié)合起來。一個空腔可以吸收無限數(shù)量的光子，并相應(yīng)地顯示出大量彼此距離相等的能態(tài)——類似于一個“梯子”。將單個原子插入腔中引入了一個非線性元素。這會導(dǎo)致對于“梯子”的每一級來說，能級都會分裂出一個不同的量。從而，激光可以將系統(tǒng)只激發(fā)到它被調(diào)諧到的位置。因此，可以存儲的光子數(shù)目被限制在了一定的數(shù)量，由此，不可能發(fā)射比這個數(shù)目更多的光子。 在實驗中，物理學(xué)家將一個銣原子放在由兩個高精細鏡面制成的空腔內(nèi)的一個光學(xué)陷阱里。入射激光束的頻率被調(diào)諧到需要吸收兩個光子來對其進行激發(fā)的能量水平。在原子儲存的這五秒時間內(nèi)，進行了約5000次測量周期，在此期間，該系統(tǒng)由探針激光進行照射，而從腔內(nèi)發(fā)射出來的光子通過單光子探測器進行了記錄�！坝腥さ氖牵l(fā)射光子數(shù)的波動在很大程度上取決于我們是激發(fā)光腔還是原子，”項目負責(zé)人Tatjana Wilk博士指出�！半p光子吸收抑制進一步的吸收并導(dǎo)致發(fā)射兩個或兩個以下光子的效應(yīng)，只有在原子激發(fā)的情況下才會實現(xiàn)。當我們激發(fā)光腔的時候這種量子效應(yīng)不會出現(xiàn)。在這種情況下，我們觀察到每個脈沖三個和更多光子的增強信號。” 執(zhí)行該實驗的博士生Christoph Hamsen解釋了相關(guān)的過程：“當原子被激發(fā)的時候，我們處理的是兩個相互矛盾的機制之間的相互作用。一方面，原子一次只能吸收一個光子。另一方面，強耦合的原子-空腔系統(tǒng)與雙光子躍遷發(fā)生共振。這種相互作用會導(dǎo)致一系列具有非經(jīng)典光子分布的光脈沖�！绷硪幻┦可鶱icolas Tolazzi補充說：“我們能夠在檢測到的光子之間的相關(guān)性上觀察到這種行為，因為在檢測到的光子中我們發(fā)現(xiàn)三光子的一致性相比于經(jīng)典情況下的期望值受到了明顯的抑制。” Gerhard Rempe教授對該實驗可能的擴展進行了展望：“目前，我們的系統(tǒng)發(fā)射的是最多只有兩個光子的光脈沖，但是它其實還能發(fā)射更少光子的脈沖，例如一個，甚至零個。它的行為就像一種“低通”濾波器一樣。然而，量子通信和量子信息處理的許多應(yīng)用需要精確的兩個，三個或四個光子。我們的最終目標是每個光脈沖包含完全相同的所需光子數(shù)的純態(tài)的產(chǎn)生。在我們的實驗中展示的雙光子阻塞是在這個方向上邁出的第一步�！監(jiān)livia Meyer Streng 原文鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2017/04/170413084828.htm |
