单个两级原子同时散射两个光子
发布时间：2023-10-30 10:18:38 阅读数： 146
DAALI 项目的合作伙伴、柏林洪堡大学物理系的 Jürgen Volz 和 Arno Rauschenbeutel 对荧光原子的光散射行为提出了新的见解，这些见解可能会应用于量子通信领域。研究小组最近在《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志上发表了这一研究成果。
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。(图片来源：柏林洪堡大学物理系）。图片来源：柏林洪堡大学物理系
马克斯-普朗克于 1900 年提出，光只能与原子等物质交换某些离散的 "能量包 "或量子，而不能交换任意数量的能量。五年后，爱因斯坦提出，量子不仅仅是计算中使用的量，光本身也是由量子组成的，即现在所说的光子。
实际上，目前已有灵敏度足以记录单个光子的光电二极管。连续照明产生的是连续的短电流脉冲，而不是稳定的电信号。因此，每个电流脉冲都能检测到一个光子。
放大镜下： 激光的散射
当激光束激发光子发出荧光时，如此高灵敏度的光电二极管绝不会同时识别出单个光子。由于激光中的光子是同时出现的，因此在这方面，单个原子发出的荧光与激光激发的荧光并不相同。
但是，如果一个原子在同一时刻受到两个激光光子的照射，它只会吸收其中一个光子，而让另一个光子通过。原子只有在将吸收的光子向任意方向发射后，才会准备好接受另一个激光光子。
换句话说，单个原子一次只能散射一个光子，而单个原子的荧光中的光子就像串珠一样冲击探测器。DAALI 项目和其他量子技术研究都在使用这一特性。例如，在量子通信中，自然原子或人造原子产生的单光子被用于防窃听传输。
通过过滤器： 单光子成对
然而，洪堡大学的研究人员现在利用来自单个原子的荧光展示了一种非凡的效果。当研究人员使用滤光片去除光线中的某种颜色成分时，单光子流转换成了成对的光子，并被同时检测到。
因此，从单光子流中去除适当的光子，剩下的光子就会以成对的形式出现。现实世界给人的印象与这种效果是不相容的；例如，如果把一条街道上所有的绿色汽车都移走，剩下的汽车就不会开始成对地并排行驶。
此外，早先关于单个原子一次只能散射一个光子的保证也被推翻了：通过适当的滤色镜观察，原子完全可以同时散射两个光子。
大约四十年前，让-达利巴和塞尔日-雷诺（Jean Dalibard and Serge Reynaud）在巴黎高等师范学院（ENS Paris）进行的原子散射光理论研究中就预见到了这种效应。但直到现在，量子物理学家劳申博特尔和沃尔兹领导的研究小组才刚刚通过实验证明了这一点。
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。
尤尔根-沃尔兹，柏林洪堡大学物理系助理教授
劳申博特尔补充说："然而，这不仅仅是一种好奇。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，人们可以远距离传送量子态"。
沃尔兹和劳申博特尔说："单个原子非常适合作为这种纠缠光子对的来源，这一点直到最近才有人相信。
所显示的效果真正使人们有可能实现比现有光源更亮的纠缠光子对光源，达到理论上的最大值。此外，这些光子对在本质上与它们所来自的原子相匹配。这使得光子-量子能够与量子门或中继器直接接触，而量子门或中继器共享相同的原子，是远距离量子通信所必需的。
参考资料
Masters, L., et al. (2023) On the simultaneous scattering of two photons by a single two-level atom. Nature Photonics. doi:10.1038/s41566-023-01260-7
