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太厲害了吧？從弱激光中提取出高度純單光子！

2019-07-01 10:46 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

量子物理學(xué)家現(xiàn)在可以蒸餾出一種光子杜松子酒，當(dāng)蒸餾酒精時(shí)，酒精的含量相對(duì)于水的含量增加。加興馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所(Max Planck Institute of Quantum Optics)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種類似方法，研究光量子光子。它從光源中提取單個(gè)光子，將不需要的真空成分推回去。這種單光子對(duì)于目前正在興起的量子信息技術(shù)來(lái)說(shuō)是非常重要的量子比特。這確實(shí)讓人想起蒸餾酒精背后的原理——盡管位于馬克斯?普朗克量子光學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)室的這個(gè)裝置看上去與蒸餾杜松子酒裝置完全不同。

Garching實(shí)驗(yàn)增加了單個(gè)光子相對(duì)于真空的比例，這種動(dòng)機(jī)對(duì)普通大眾來(lái)說(shuō)可能聽起來(lái)很奇怪。然而，它直接導(dǎo)致了量子物理的奇異世界。在量子信息技術(shù)中，能夠精確傳輸一個(gè)光子的弱光源起著核心作用。作為量子比特，光子可以傳輸量子網(wǎng)絡(luò)、量子加密和量子計(jì)算機(jī)所需的基本量子信息——就像當(dāng)前的數(shù)字技術(shù)處理單個(gè)比特作為信息載體一樣。單光子源構(gòu)建是近年來(lái)國(guó)際上研究的一個(gè)難題，這聽起來(lái)很令人吃驚，因?yàn)橹恍栎p觸一下電燈開關(guān)就能照亮一個(gè)房間，然而，燈發(fā)出的光對(duì)應(yīng)著大量光子電流。

如果把光源調(diào)暗到只有單個(gè)光子能逃脫的程度，就面臨著量子世界的擲骰子性質(zhì)；有時(shí)什么也沒有來(lái)，然后兩個(gè)或三個(gè)光子來(lái)了，以此類推。這有點(diǎn)像從蒸餾器里滴出來(lái)的水。無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)油價(jià)何時(shí)下跌，或下跌幅度有多大，任何真空都不能添加到干凈制備的光子中來(lái)自馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所格哈德·雷姆普斯系的物理學(xué)家們無(wú)意開發(fā)另一種單光子光源。相反，他們的實(shí)驗(yàn)可以從任何非常微弱的光源(比如靜止光源)中提取單個(gè)光子，并可靠地報(bào)告這一事件，嚴(yán)格地說(shuō)，與獲得光子相比，它減少了純真空的比例。

量子世界的一個(gè)特點(diǎn)是真空本身代表量子態(tài)，如果想干凈地制備光子，就不需要添加真空。Rempes團(tuán)隊(duì)的新研究工作面臨著兩個(gè)挑戰(zhàn)，第一個(gè)挑戰(zhàn)是精確地獲得一個(gè)光子。第二是可靠地檢測(cè)它，一個(gè)銣原子可以一步完成這兩項(xiàng)任務(wù)。這個(gè)原子在一個(gè)鏡柜里。更準(zhǔn)確地說(shuō)，它被困在兩面幾乎完美的鏡子之間。在這個(gè)“諧振器”中，鏡子的距離恰好相當(dāng)于半波長(zhǎng)光的倍數(shù)，原子可以在其中輻射或吸收自己的光子。在該系統(tǒng)中，原子可以像指針一樣在兩個(gè)顯示位置之間來(lái)回折疊，這在這里扮演著重要的角色。

幾個(gè)光子相繼靜止，增加了光的純度

可以在諧振器中使用這種原子系統(tǒng)作為光子的靜止物，這個(gè)以加興為基地的小組將極其微弱的激光（想從中獲得一個(gè)光子）定向到腔內(nèi)。在那里，它做了一些只有在量子世界中才能做的事情：它與原子共振器的排列糾纏在一起，從而形成一個(gè)共同的量子態(tài)。這種糾纏態(tài)使系統(tǒng)靜止：通過對(duì)原子的測(cè)量，物理學(xué)家可以從入射光中提取出偶數(shù)或奇數(shù)光子。然而，這并不像開關(guān)一樣工作，量子世界的擲骰子性質(zhì)阻止光子按下按鈕就能進(jìn)入。這里具有決定性意義的是，現(xiàn)在可以使用原子作為指示報(bào)告成功的單光子蒸餾指針

物理學(xué)家讓這種排列滾動(dòng)光子，但讓骰子的點(diǎn)數(shù)可靠地顯示出來(lái)。結(jié)合超弱光，“奇光子數(shù)”模式現(xiàn)在可以產(chǎn)生一個(gè)光子的事件，因?yàn)楹苌儆懈嗟墓庾涌捎?。蒸餾成功了，“純度”達(dá)到66%，這意味著真空含量減少到三分之一。與單光子光源相比，這是第一次嘗試的良好結(jié)果。這種純度可以大大提高與更好的光學(xué)腔。為了進(jìn)一步提高通過的光子純度，可以將光子蒸餾元件串聯(lián)起來(lái)。來(lái)自其他單光子源光的質(zhì)量也可以得到改善。這就像用40%伏特加做60%(或更高)的伏特加。