国际科学家们打开了操纵“量子光”的大门

这一基础科学的研究为量子增强测量技术和光子量子计算开辟了新途径，它可以推进医学成像和量子计算......

科学家们打开了操纵“量子光”的大门

澳大利亚悉尼大学和瑞士巴塞尔大学的科学家们首次展示了操纵和识别少量相互作用的光子（光能包）的能力，这些光子具有高度相关性。

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，既因为它的理论之美，也因为它在计量学和计算等领域的强大实际应用。这一前所未有的成就代表了量子技术发展的一个重要里程碑。它发表在昨天的《自然物理学》上。

澳大利亚悉尼大学的物理学家 Sahand Mahmoodian 博士

爱因斯坦于1916年提出的受激光发射被广泛观察到大量光子，并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从单个量子点散射的束缚光子之间的直接时间延迟，量子点是一种人工制造的原子。

“这为操纵我们所谓的‘量子光’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。

这项合作研究的主要参与者Mahmoodian 博士表示：他们团队的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与物质的相互作用，科学家们发现光不是一束粒子，也不是能量的波动模式——而是表现出这两种特性，即波粒二象性。

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，因为它不仅是完美的理论而且还具有强大的实际应用。

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不可能实现。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。

在通信中使用光的一个优势——通过光纤——是光能包，光子，不容易相互影响。这会以光速创建近乎无失真的信息传输。我们希望获得光能相互作用虽然物理学家在控制量子纠缠原子方面做得非常好，但是，用光实现同样的效应难度极高。

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经司空见惯，无论是在先进的医学成像中，用于重要但又平常的工作，例如对牛奶进行质量控制，还是以复杂仪器的形式，例如 LIGO，它于 2015 年首次测量了引力波。

量子力学定律对此类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。经典激光与量子光不同。

瑞士巴塞尔大学的 Natasha Tomm 博士

研究项目的主要参与者、巴塞尔大学的 Natasha Tomm 博士表示:他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一个光子与两个光子相互作用之间的差异。

他们观察到，与两个光子相比，一个光子的延迟时间更长。通过这种非常强的光子-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。

像这样的量子光的优势在于，原则上它可以使用更少的光子进行更灵敏的测量，分辨率更高。这对于生物显微镜的应用很重要，因为大的光强度会损坏样品并且要观察的特征特别小。

Mahmoodian 博士认为，通过证明他们可以识别和操纵光子束缚态，使他们朝着将量子光用于实际用途迈出了重要的第一步。研究的下一步是了解如何使用这种方法来生成对容错量子计算有用的光态，PsiQuantum 和 Xanadu 等价值数千百万美元的公司正在追求这种计算。

这个实验很漂亮，不仅因为它验证了一种基本效应——受激发射——处于其极限，而且它还代表了向高级应用迈出的巨大技术进步。

他们可以应用相同的原理来开发更高效的设备，为人们提供光子束缚态。这对于广泛领域的应用非常有前途：从生物学到先进制造和量子信息处理。

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重要的第一步，接下来的步骤是使用这种方法来生成可以制造更好的量子计算机的光态。

这项研究是巴塞尔大学、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。主要研究者是巴塞尔大学的 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。

该研究获得了澳大利亚研究委员会和 ARC 工程量子系统卓越中心 (EQuS)、瑞士国家科学基金会 (SNSF)、欧盟地平线 2020 研究、巴塞尔大学研究基金、德国DFG 和 BMBF 的资助。