Radio Italia Cina

物理学家首次操纵了“量子光”,取得了巨大突破

di Redazione pubblicato il 24 Marzo 2023

一个由国际物理学家组成的团队,首次成功地操纵了少量相互关联密切的轻粒子 —— 也就是所谓的光子。

上图:光子刺激量子点的概念图。

这听起来可能有点晦涩难懂,但这是量子领域的一项根本性突破,可能会带来我们目前做梦都想不到的技术。想象一下激光,但具有量子灵敏度,用于医学成像。

悉尼大学物理学家萨汉德·马哈茂迪安(Sahand Mahmoodian)说:“这为操纵我们所谓的‘量子光’打开了大门。这项基础科学,为量子增强测量技术和光子量子计算的进步开辟了道路。”

虽然,物理学家在控制量子纠缠原子方面做得非常好,但事实证明,用光来实现同样的目标更具挑战性。

在这个新的实验中,来自悉尼大学和瑞士巴塞尔大学的一个团队向一个量子点(人工制造的原子)发射了一个单光子和一对绑定光子,并可以测量光子本身和被绑定光子之间的直接时间延迟。
来自巴塞尔大学的联合主要作者、物理学家娜塔莎·汤姆(Natasha Tomm)解释道:“我们建造的设备在光子之间产生了如此强烈的相互作用,以至于我们能够观察到与之相互作用的一个光子与两个光子之间的差异。”

“我们观察到,与两个光子相比,一个光子延迟的时间更长。在这种非常强的光子-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。”

他们利用受激发射建立了这种束缚态 —— 阿尔伯特·爱因斯坦于1916年首次描述了这种现象,这构成了现代激光的基础。(有趣的事实:激光代表受激辐射的光放大。)

在激光内部,电流或光源被用来激发玻璃或晶体等光学材料原子内的电子。

这种激发使电子在原子核中沿着轨道上升。当它们回到正常状态时,就会以光子的形式发射能量。这些是“受激”发射,这一过程意味着,所有产生的照片都具有相同的波长,而正常的白光是不同频率(颜色)的混合。

然后,用镜子将新旧光子反射回原子,刺激产生更多相同的光子。

上图:受激发光的动画演示。

这些光子运动一致,以相同的速度和方向移动,并不断累积,直到最终它们克服了镜子和光学介质,在一束完全同步的光束中自由爆发,可以在很远的距离上保持锐利的聚焦。

当你按下激光笔上的按钮时,所有这一切都在毫秒内发生(感谢爱因斯坦)。

这种光和物质之间非常酷的相互作用,是各种不可思议的技术的基础,比如GPS、计算机、医学成像和全球通信网络。即使是2015年首次探测到引力波的激光干涉仪引力波天文台 LIGO 也是基于激光。

但所有这些技术仍然需要大量的光子,这也限制了它们的灵敏度。

这一新的突破,现在已经实现了对单个光子以及来自单个原子的小群光子的受激发射和探测,使它们变得强相关 —— 换句话说,“量子光”。这是一个巨大的进步。

物理学家萨汉德·马哈茂迪安说:“通过证明我们可以识别和操纵光子束缚态,我们朝着将量子光用于实际用途迈出了至关重要的第一步。”
他解释说,接下来的步骤是使用这种方法来产生可以制造更好量子计算机的光状态。

物理学家娜塔莎·汤姆补充说:“这项实验很漂亮,不仅因为它验证了一种基本效应(受激发射)的极限,而且它也代表着朝着先进应用迈出了巨大的技术步伐。”

“我们可以应用同样的原理来开发更高效的设备,让我们获得光子束聚态。这在从生物学到先进制造和量子信息处理等广泛领域的应用中都非常有前景。”

这项研究发表在《自然物理》杂志上。

Originally published on sohu.com

Right Menu Icon