科学家打开了操纵量子光的大门

诸平

The illustration depicts how photons are coupled after being scattered by an artificial atom - a so-called quantum dot - in a cavity resonator. (Illustration: University of Basel, Department of Physics)

据澳大利亚悉尼大学(University of Sydney)2023年3月20日提供的消息，澳大利亚、瑞士及德国的科学家合作，已经打开了操纵量子光的大门（Scientists open door to manipulating ’quantum light’）。 悉尼大学和瑞士巴塞尔大学以及来自德国的科学家们首次证明了操纵和识别少量相互作用的光子包的能力，这些光子包具有高相关性。这一前所未有的成就是量子技术发展的一个重要里程碑。相关研究结果于2023年3月20日已经在《自然物理》（Nature Physics）杂志网站发表——Natasha Tomm, Sahand Mahmoodian, Nadia O. Antoniadis, Rüdiger Schott, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Arne Ludwig, Alisa Javadi, Richard J. Warburton. Photon bound state dynamics from a single artificial atom. Nature Physics, Published: 20 March 2023. DOI: 10.1038/s41567-023-01997-6. http://www.nature.com/articles/s41567-023-01997-6

参与此项研究的除了来自澳大利亚悉尼大学（The University of Sydney, Sydney, New South Wales, Australia）的研究人员之外，还有来自瑞士巴塞尔大学（University of Basel, Switzerland）、德国汉诺威莱布尼茨大学（Leibniz University Hannover, Hannover, Germany）以及德国波鸿鲁尔大学（Ruhr-Universität Bochum, Bochum, Germany）的研究人员。

爱因斯坦（Einstein）在1916年假设的受激光发射（Stimulated light emission）被广泛观察到大量的光子，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，科学家们可以测量单个量子点(quantum dot，一种人工制造的原子)散射出的一对束缚光子和一个光子之间的直接时间延迟。

该研究的联合主要作者、悉尼大学物理学院（University of Sydney School of Physics）的萨汉德·马哈茂迪安博士（Dr. Sahand Mahmoodian）说:“这为操纵我们所谓的‘量子光’ （'quantum light'）打开了大门。”

萨汉德·马哈茂迪安博士说:“这项基础科学（fundamental science）为量子增强测量技术和光子量子计算的进步开辟了道路。”

一个多世纪前，通过观察光与物质的相互作用，科学家发现光既不是粒子束，也不是能量波，而是同时表现出这两种特征，即波粒二象性（wave-particle duality）。

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（human imagination），既因为它的理论之美，也因为它强大的实际应用。

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。也就没有移动电话、没有全球通信网络、没有电脑、没有全球定位系统（GPS）、没有现代医学成像。

在光纤通信中使用光的一个优点是光能包，光子，不容易相互作用。这就创造了几乎无失真的光速信息传输。然而，我们有时希望光相互作用。如果这样，事情就会变得棘手。

例如，使用干涉仪（interferometers），光被用来测量距离的微小变化。这些测量工具现在很常见，无论是在先进的医学成像中，还是在重要但可能更平淡的任务中，比如对牛奶进行质量控制，还是在复杂的仪器中，比如在2015年首次测量引力波的LIGO。

量子力学定律限制了这种装置的灵敏度。这个限制是在测量的灵敏度和测量设备中光子的平均数量之间设置的。对于经典激光来说，这与量子光不同。

上述论文的联合主要作者、来自巴塞尔大学的娜塔莎·汤姆（Natasha Tomm）博士说:“我们建造的设备诱导了光子之间的强相互作用，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。在这种非常强的光子-光子相互作用下，两个光子以所谓的双光子束缚态的形式纠缠在一起。”

这样的量子光有一个优势，在原则上，它可以用更少的光子（fewer photons）进行更灵敏的测量，并获得更好的分辨率。这对于生物显微镜中的应用是很重要的，当大的光强度可以破坏样品时以及要观察的特征特别小时。

“通过证明我们可以识别和操纵光子束缚态，我们向利用量子光进行实际应用迈出了至关重要的第一步，”萨汉德·马哈茂迪安博士说。

“我研究的下一步是看看如何使用这种方法来产生对容错量子计算有用的光状态，这是由价值数百万美元的公司如PsiQuantum和Xanadu正在追求的。”

娜塔莎·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（stimulated emission）的最终极限，而且它也代表了向先进应用技术迈出了巨大的一步。”

“我们可以应用相同的原理来开发更有效的设备，为我们提供光子束缚状态。这对于从生物学到先进制造和量子信息处理等广泛领域的应用有广阔前景。”

本研究得到了SNF项目（SNF project 200020_204069）和NCCR QSIT、欧盟“地平线2020研究与创新计划”（European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under Marie Skłodowska-Curie grant agreement no. 840453）、巴塞尔大学研究基金（Research Fund of the University of Basel）、德国研究基金会和德国联邦教育与研究部等机构{DFH/UFA CDFA05-06, DFG TRR160, DFG project 383065199 and BMBF Q.Link.X project 16KISQ009; DFG through CRC 1227 DQ-mat, projects A05 and A06, and ‘Niedersächsisches Vorab’ through the ‘Quantum- and Nano-Metrology (QUANOMET)’}、澳大利亚研究委员会{ Australian Research Council (ARC) via the Future Fellowship, ‘Emergent many-body phenomena in engineered quantum optical systems’, project no. FT200100844, as well as the ARC Centre of Excellence in Engineered Quantum Systems (EQuS), project no. CE17010000}的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The interaction between photons and a single two-level atom constitutes a fundamental paradigm in quantum physics. The nonlinearity provided by the atom leads to a strong dependence of the light–matter interface on the number of photons interacting with the two-level system within its emission lifetime. This nonlinearity unveils strongly correlated quasiparticles known as photon bound states, giving rise to key physical processes such as stimulated emission and soliton propagation. Although signatures consistent with the existence of photon bound states have been measured in strongly interacting Rydberg gases, their hallmark excitation-number-dependent dispersion and propagation velocity have not yet been observed. Here we report the direct observation of a photon-number-dependent time delay in the scattering off a single artificial atom—a semiconductor quantum dot coupled to an optical cavity. By scattering a weak coherent pulse off the cavity–quantum electrodynamics system and measuring the time-dependent output power and correlation functions, we show that single photons and two- and three-photon bound states incur different time delays, becoming shorter for higher photon numbers. This reduced time delay is a fingerprint of stimulated emission, where the arrival of two photons within the lifetime of an emitter causes one photon to stimulate the emission of another.