单原子变成双原子 原子光散射的新发现
发布时间：2023-10-27 10:23:45 阅读数： 21
单个原子被激光激发后会散射出一个又一个光子。光学滤波器会从这些单光子流中去除某些颜色成分。这样，剩余的光子就变成了同时离开滤光片的光子对。(图片：柏林洪堡大学物理系）。图片来源：柏林洪堡大学物理系
柏林洪堡大学物理系的尤尔根-沃尔兹（Jürgen Volz）和阿诺-劳申博特尔（Arno Rauschenbeutel）领导的研究人员是 DAALI 项目的合作伙伴，他们对荧光原子的光散射有了新的认识，这对量子通信也很有用。研究小组现已在《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志上发表了他们的研究成果。
1900 年，马克斯-普朗克提出了这样的假设：光不能与原子等物质交换任意数量的能量，而只能与某些被称为量子的离散 "能量包 "交换能量。五年后，爱因斯坦又提出，这些量子并不仅仅是一个计算量，光本身就是由量子组成的，也就是我们现在所说的光子。
事实上，现在的光电二极管灵敏度足以记录单个光子。在持续照明的情况下，这些光电二极管不会产生稳定的电信号，而是会产生一系列短电流脉冲。每个电流脉冲都表示检测到一个光子。
放大镜下 激光的散射
如果被激光束激发出荧光的单个原子的光照射到这种高灵敏度的光电二极管上，则永远不会同时检测到两个光子。在这方面，单个原子发出的荧光与激发它的激光不同，因为激光中的光子确实是同时出现的。
但是，如果两个激光光子同时照射到一个原子上，该原子只会吸收一个光子，让第二个光子通过。随后，原子会将吸收的激光光子向随机方向辐射，只有这样它才能吸收另一个激光光子。
换句话说，单个原子一次只能散射一个光子，单个原子的荧光中的光子撞击探测器时就像珍珠串一样排成一排。DAALI 项目和其他量子技术研究都利用了这一特性。例如，在量子通信中，自然原子或人造原子发出的单光子被用于防窃听通信。
通过滤波器 单光子变成光子对
不过，洪堡大学的研究团队现在已经能够利用单个原子的荧光展示一种令人惊讶的效果。当研究人员用滤光片去除光中的某种颜色成分后，单光子流就变成了成对的光子，并被同时检测到。
因此，只要从单光子流中去除正确的光子，剩下的光子就会突然成对出现。这种效果无法与我们日常生活中的感知相协调；如果你禁止一条街上所有的绿色汽车，剩下的汽车也不会突然成对地挨在一起行驶。此外，以前认为单个原子一次只能散射一个光子的观点似乎也被推翻了：如果通过合适的彩色滤光片观察，原子完全可以同时散射两个光子。
大约 40 年前，巴黎高等师范学院的 Jean Dalibard 和 Serge Reynaud 在他们关于原子散射光的理论研究中就预测到了这种效应。然而，直到现在，量子物理学家沃尔兹和劳申博特尔领导的团队才在实验中证明了这一点。
"沃尔兹说："这是一个绝妙的例子，说明当我们试图了解微观层面的过程是如何发生的时候，我们的直觉会在多大程度上让我们失望。
"劳申博特尔补充说："然而，这不仅仅是一个好奇心的问题。"事实上，产生的光子对是量子力学纠缠的。因此，在两个光子之间存在着爱因斯坦不愿相信的距离上的幽灵作用，例如，由于这种作用，人们可以传送量子态。
沃尔兹和劳申博特尔一致认为："单个原子非常适合作为这种纠缠光子对的来源，""直到最近，几乎没有人会相信这一点。"
事实上，所展示的这种效应可以实现纠缠光子对的光源，其亮度达到理论上可能的最大值，从而超越现有的光源。此外，这些光子对在本质上与发射它们的原子相匹配。这样，人们就可以直接将光子与量子中继器或量子门连接起来，而量子中继器或量子门使用相同的原子，是远距离量子通信所必需的。
参考资料
Luke Masters et al, On the simultaneous scattering of two photons by a single two-level atom, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01260-7
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