科学家打开了操纵量子光的大门

悉尼大学和瑞士巴塞尔大学的科学家首次展示了操纵和识别少量相互作用光子(光能包)的能力，具有高度相关性。

这一前所未有的成就代表了量子技术发展的重要里程碑。它今天发表在Nature Physics上。

受激光发射，由爱因斯坦在1916年假设，被广泛观测到大量的光子，为激光的发明奠定了基础。通过这项研究，现在已经观察到单光子的受激发射。

具体来说，科学家们可以测量一个光子和一对束缚光子散射单个量子点(一种人工制造的原子)之间的直接时间延迟。

“这为操纵我们可以称之为'量子光'的东西打开了大门，”悉尼大学物理学院的Sahand Mahmoodian博士和该研究的联合主要作者说。

Mahmoodian博士说：“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。

通过观察一个多世纪前光如何与物质相互作用，科学家们发现光不是粒子束，也不是能量的波模式，而是表现出这两种特征，称为波粒二象性。

光与物质相互作用的方式继续吸引着科学家和人类的想象力，无论是它的理论美还是强大的实际应用。

无论是光如何穿越星际介质的广阔空间还是激光的发展，对光的研究都是一门具有重要实际用途的重要科学。没有这些理论基础，几乎所有的现代技术都是不可能的。没有手机，没有全球通信网络，没有电脑，没有GPS，没有现代医学成像。

通过光纤在通信中使用光的一个优点是光能包，光子，不容易相互作用。这在光速下实现了近乎无失真的信息传输。

然而，我们有时希望光相互作用。在这里，事情变得棘手。

例如，光用于使用称为干涉仪的仪器测量距离的微小变化。这些测量工具现在已司空见惯，无论是在先进的医学成像中，还是用于重要但可能更平淡无奇的任务，如对牛奶进行质量控制，还是以LIGO等复杂仪器的形式出现，LIGO于2015年首次测量引力波。

量子力学定律对这种设备的灵敏度设定了限制。

此限制设置在测量的灵敏度和测量设备中的平均光子数之间。对于经典激光，这与量子光不同。

联合主要作者，巴塞尔大学的Natasha Tomm博士说：“我们建造的设备诱导了光子之间的强烈相互作用，我们能够观察到一个光子与两个光子相互作用之间的差异。

“我们观察到，与两个光子相比，一个光子延迟的时间更长。通过这种非常强烈的光子 - 光子相互作用，两个光子以所谓的双光子束缚态的形式纠缠在一起。

像这样的量子光有一个优点，因为它原则上可以使用更少的光子进行更灵敏的测量，分辨率更高。这对于生物显微镜中的应用非常重要，因为大光强度会损坏样品，并且要观察的特征特别小。

“通过证明我们可以识别和操纵光子束缚态，我们已经朝着利用量子光的实际应用迈出了至关重要的第一步，”Mahmoodian博士说。

“我研究的下一步是看看如何使用这种方法来生成对容错量子计算有用的光状态，这是数百万美元的公司，如PsiQuantum和Xanadu正在追求。

汤姆博士说：“这个实验很漂亮，不仅因为它验证了一个基本效应 - 受激发射 - 在其最终极限，而且还代表了向先进应用迈出的巨大技术进步。

“我们可以应用相同的原理来开发更有效的器件，为我们提供光子束缚状态。这对于广泛的应用领域非常有前途：从生物学到先进制造和量子信息处理。

该研究是巴塞尔大学，汉诺威莱布尼茨大学，悉尼大学和波鸿鲁尔大学之间的合作。

主要作者是巴塞尔大学的Natasha Tomm博士和悉尼大学的Sahand Mahmoodian博士，他是澳大利亚研究委员会未来研究员和高级讲师。

人造原子(量子点)在波鸿制造，并用于巴塞尔大学纳米光子学小组进行的实验。关于这一发现的理论工作由悉尼大学和汉诺威莱布尼茨大学的Mahmoodian博士进行。

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